JP2006104033A - 化合物半導体単結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直ブリッジマン法や垂直温度勾配凝固法により、連通細管を用いることなしに、種付部近傍に発生する転位を少なくして、低転位密度の化合物半導体単結晶を歩留良く育成する。
【解決手段】種結晶載置部３ａ、増径部３ｂ及び定径部３ｃを有する成長容器を支持部材７により支持して加熱装置内に配置し単結晶を成長する垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の成長装置において、成長容器３の種結晶載置部３ａの側面を覆う覆い部材７ａを設置し、該覆い部材７ａの熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）を１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の関係を満たすように設定し、種結晶６の直径を５mm〜２５mmとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体融液を結晶成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）又は垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）による化合物半導体単結晶の製造装置に関するものである。

Ｓｉの単結晶の製造技術にはチョクラルスキー法がある。このチョクラルスキー法において、ネッキング法を用いることにより、現在Ｓｉの無転位結晶が得られている。

ネッキング法とは、種結晶から伝播する転位や、種付け時の熱ショック等で発生する転位が引き上げ方向に対して斜めに伝播することを利用して、種付け作業時に結晶を直径２〜３mm程度にまで細く絞ることによって固液界面形状が融液に対して凸になり、転位は界面に垂直に伸びるので、この細く絞った部分で転位を結晶の表面に逃がして、それ以降に成長する結晶に転位が伝播するのを防ぐ方法である。

III−Ｖ族化合物半導体単結晶の製造方法には、融液が分解するのを防ぐために液体封止材を用いる液体封止引上法（ＬＥＣ法）がある。ＬＥＣ法では、成長中の高温下では、結晶からＶ族が解離するという問題があるため、液体封止材から露出する部分の温度をある温度以下にしなければならない。そのため、結晶成長界面近傍の温度勾配が大きくなり、熱応力による転位が細く絞った箇所以降に発生してしまうため、低転位結晶にならない。

一方、近年では、直径φ３インチを超える大型で、しかも転位密度の低い化合物半導体単結晶が得られる方法として、液体封止引上法に代わって、半導体原料融液を結晶成長容器内に収納し、結晶成長容器の底部に予め配置した種結晶より徐々に上方に固化させることにより単結晶を成長する縦型成長法、すなわち垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）や垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）が注目されている。垂直ブリッジマン法も垂直温度勾配凝固法も、結晶成長容器内の最下部に種結晶を、その上部に原料融液を配置し、結晶成長容器内で種結晶から成長を開始し、徐々に上方に向けて結晶を成長させる点で共通する。ただし、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）では成長容器を相対的に降下させて成長させるのに対し、垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）では温度降下のみで成長させる点で、両者に違いがある。垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法では、いずれも成長中の結晶からのＶ族の解離を防止できるため、ＬＥＣ法に比べて低温度勾配下で成長が可能となり、熱応力が低減されて、転位密度が大幅に低減した化合物半導体単結晶を製造することができる。

しかし、垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法での低温度勾配下での成長によっても、種付け部近傍より育成結晶中に転位が伝播してしまい、無転位もしくは極低転位密度の単結晶を得ることは困難であった。そこで、Ｓｉ単結晶の製造技術で用いられているネッキング法に類似した考えで、連通細管を有する挿入部品を、種結晶載置部に配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１の技術は、具体的には、図２に示すように、成長容器１２の種結晶載置部にＧａＡｓ種結晶１１をセットし、その上に蛇行した連通細管を有する焼結窒化ホウ素製の挿入部品１３を載置するものであり、これによって、種付け部近傍より伝播する転位が遮蔽されて、無転位もしくは極低転位密度の単結晶が得られるようになるとされている。なお、１４は育成結晶、１８は原料である。
特開平６−２９８５８８号公報

しかしながら、上記特許文献１のような技術による場合、連通細管と種結晶載置部の隙間が常に適正でないと、隙間に原料融液が流れ込み、種結晶からの成長よりも先に隙間に流れ込んだ融液から固化することにより、多結晶化する恐れがある。

そこで、本発明の目的は、垂直ブリッジマン法や垂直温度勾配凝固法において、上記連通細管を用いることなしに、種付部近傍に発生する転位を少なくして、低転位密度の単結晶を歩留り良く育成する化合物半導体単結晶の成長装置を提供することにある。

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。

請求項１の発明に係る化合物半導体単結晶成長装置は、下部に種結晶載置部及び該種結晶載置部から上方に向けて直径が大きくなる増径部及びこれに続く直径が一定の定径部を有する成長容器を、支持部材により支持して加熱装置内に配置し、半導体融液を成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の成長装置において、成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材を設置し、該覆い部材の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）を１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の関係を満たすように設定したことを特徴とする。

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、種結晶の直径が５mm以上、２５mm以下であることを特徴とする。

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、前記成長容器を支持する支持部材に、前記成長容器の増径部の外周部全面に接触しこれを下方から支持する増径部受け部と、該増径部受け部の下端から垂下し前記種結晶載置部の周囲側面を囲繞する側面覆い部を設け、この支持部材の側面覆い部を、前記成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材として設置したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体単結晶成長装置において、前記成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材をグラファイト又はアルミナで構成したことを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明者等は、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、種付部近傍に発生し伝播する転位の多くは、炉内の温度変動により、一時的に成長速度が速くなることにより発生し、種結晶の直径が小さいほど炉内の温度変動の影響を受けやすく転位が多く発生することを発見した。

更に鋭意研究を進めた結果、炉内温度変動の影響を少なくするために、成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材を設置することで、炉内温度変動の影響が少なくなり、一時的に成長速度が速くなることによる転位を抑制することができることが分かった。しかし、この場合、熱伝導率が低く、厚さが厚い部材を用いた時は、結晶からの放熱が不足し、固液界面が融液に対して凹面になることによる転位が発生することを発見した。

よって、成長容器の種結晶載置部の側面を覆う適切な材質と厚さの覆い部材を設置することで、種付部近傍から発生し伝播する転位を少なくできることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、結晶容器内の最下部に種結晶、その上部に原料融液を配置し、結晶容器内で種結晶から成長を開始し、徐々に上方に向けて結晶を成長させる垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の成長装置であって、成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材を設置し、該覆い部材の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）が１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の関係を満たすように設定することにより、好ましくは更に種結晶の直径が５mm以上、２５mm以下であるように設定することにより、種付部近傍から発生し伝播する転位を少なくするものである。

本発明では、結晶容器内の最下部に種結晶、その上部に原料融液を配置し、成長容器内で種結晶から成長を開始し、徐々に上方に向けて結晶を成長させる垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の成長装置において、該成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材を設置したので、炉内温度変動の影響を少なくして一時的に成長速度が速くなることによる転位を抑制することができる。この場合、覆い部材の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）が１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の関係を満たすように設定したので、熱伝導率が低く、厚さが厚い覆い部材を用いた場合に較べ、結晶からの放熱不足をなくし、固液界面が融液に対して凹面になることによる転位の発生をなくすことができる。

また、本発明では、種結晶の直径を５mm以上、２５mm以下としたので、種付部近傍に発生する転位をより効果的に少なくすることができる。

よって、本発明によれば、低転位密度の単結晶を歩留り良く製造することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１に示す化合物半導体単結晶の製造装置は、チャンバ１内の不活性ガス中で加熱装置（ヒータ８、９）で加熱処理する成長炉として構成されている。そして、この成長炉は、種結晶６とＧａＡｓ多結晶原料の融液４と液体封止剤５を収容する筒状の成長容器（るつぼ）３と、これを支持する支持部材７と、所定の温度勾配を作ることのできるグラファイト製のヒータ８、９と、成長につれて垂直下方向に移動可能で、上部に上記支持部材７を取り付けた下軸１０から構成される。

成長容器３はＰＢＮ製であり、容器底部に設けられた断面積が小さい種結晶載置部３ａと、これに続く徐々に上方に断面積が増大する増径部３ｂと、これに続く断面積が大きくほぼ一定の径を有する定径部３ｃとを有する。

成長容器（るつぼ）３を下方より支持する支持部材７は、増径部３ｂの外周部全面に接触しこれを下方から支持する増径部受け部７ｂと、種結晶載置部３ａを収納する下端が解放された中央凹部、つまり上記増径部受け部７ｂの下端から垂下し種結晶載置部３ａの周囲側面を囲繞する側面覆い部（覆い部材）７ａとを有する。また支持部材７は、増径部受け部７ｂの上端から上方に連続し上記定径部３ｃを被う直径が一定の定径部包囲部７ｃを有する。さらにまた支持部材７は、増径部受け部７ｂと定径部包囲部７ｃの境界角部から下方に存在するコ字状断面の基台部７ｄを有する。基台部７ｄの内部、すなわち側面覆い部７ａと増径部受け部７ｂの下方は空洞７１になっている。そして、基台部７ｄの下部は、下軸１０の頂部に固定されている。

上記支持部材７は、その増径部受け部７ｂが、成長容器の増径部３ｂの外周部全面と接触しており、且つその増径部と接触している増径部受け部７ｂの厚さは、その平均Ｔが１０mmより大きくなっている。ただし、その増径部受け部７ｂの厚さの許容範囲は、最小厚さがＴ−Ｔ／３より大きく、最大厚さがＴ＋Ｔ／３より小さい。つまり、増径部受け部７ｂの厚さは、（Ｔ−Ｔ／３）〜（Ｔ＋Ｔ／３）の範囲内の厚さとなっている。増径部受け部７ｂの厚さを上記範囲に設定することで、結晶増径部を成長する時の温度の変化量を少なくし、結晶増径部における双晶の発生割合を少なくするためである。

本発明の視点から見た場合、上記支持部材７は、増径部受け部７ｂの下端から垂下し種結晶載置部３ａの周囲側面を囲繞する側面覆い部７ａを有するが、この支持部材の側面覆い部７ａが、成長容器３の種結晶載置部３ａの側面を覆う覆い部材として機能する。

この覆い部材としての側面覆い部７ａは、その材料の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）が１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の関係を満たすように設定されている。この種結晶載置部の側面を覆う覆い部材は、例えばグラファイト又はアルミナから構成される。種結晶載置部の側面を覆う覆い部材の熱伝導率、厚さをこの範囲に設定することにより、結晶からの放熱の不足をなくし、固液界面が融液に対して凹面にならないようにして、転位の発生を防止するためである。

そして、種結晶載置部３ａに収納される種結晶６は、その直径が５mm以上、２５mm以下のものに制限される。種付部近傍から発生し伝播する転位を少なくするためである。

このように本発明に従い、結晶容器内の最下部に種結晶、その上部に原料融液を配置し、成長容器内で種結晶から成長を開始し、徐々に上方に向けて結晶を成長させる垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の成長装置において、該成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材を設置し、該覆い部材の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）が１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の関係を満たし、種結晶の直径が５mm以上、２５mm以下とすることで、種付部近傍に発生する転位を少なくすることができる。そのため、低転位密度の単結晶を歩留り良く製造することができるようになる。

本発明の効果を確認するため、下記実施例１〜４及び比較例１〜３の如くＧａＡｓ単結晶を試作した。これを表１の試作例１〜８の順序で説明する。

（実施例１）
図１の装置を用いて化合物半導体単結晶の一つであるＧａＡｓ単結晶を育成した（表１の試作例１を参照）。

ＰＢＮ製の成長容器（るつぼ）３には、その定径部３ｃ、増径部３ｂ、種結晶載置部３ａの側面の厚さが全て２５mmのものを用いた。

支持部材７の材質は熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋのグラファイトである。支持部材７の厚さは全て１０cmと均一で、成長容器３の増径部３ｂの全面が、支持部材７の増径部受け部７ｂに接触した状態で支持されている。成長容器３の増径部３ｂは垂直方向に対して４５°の角度をなしており、これに応じて支持部材７の増径部受け部７ｂも傾斜付けられている。

従って、支持部材７において、種結晶載置部３ａの側面を覆う覆い部材である側面覆い部７ａは、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋのグラファイト製で、その厚さが１０cmであり、熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）に対する厚さｔ（ｍ）の割合はｔ／λ＝１．０×１０^-3となっている。

上記構成の化合物半導体単結晶成長装置において、ＰＢＮ製るつぼである成長容器３に、ＧａＡｓ多結晶原料を６１００ｇと、ｎ型ドーパントとしてＳｉを１．４ｇと、液体封止材である酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）を４００ｇと、直径１０mmの種結晶６を収容した。その後、炉内に成長容器３をセットした。

セット完了後、炉内を真空引きし、不活性ガスで置換し、上部ヒータ９、下部ヒータ８により昇温して、ＧａＡｓ多結晶原料を完全に融解した。種付け後、成長容器３を３mm／ｈｒの速度で下方に移動して結晶成長を行った。

この方法で、直径φ３インチ、結晶長２００mmの全長単結晶が得られた。

上記のようにして得られた単結晶の定径部３ｃの種側、中央部および尾部側より（００１）面のウェハを切り出し、溶融ＫＯＨエッチングにより転位密度の評価を行った所、全ての試料において転位密度は平均５００個／cm²未満であった。

また、上記のようにして得られた単結晶の溶解した種結晶部より（００１）面のウェハを切り出して、同様に転位密度の評価を行った所、平均５００個／cm²未満であった。

また、同じ条件で２０回成長を行った結果、ＧａＡｓ単結晶を得ることができる単結晶歩留りは８０％以上であり、単結晶の転位密度も全て平均５００個／cm²未満であった（表１の試作例１参照）。すなわち、本発明における１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の範囲における下限において良好な結果が得られた。

（実施例２）
上記実施例１と同じく、ＰＢＮ製の成長容器３には、その定径部、増径部、種結晶載置部の側面の厚さが全て１０mmのものを用いた。

一方、支持部材７の材質には、熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋのアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を用いた。この支持部材７の厚さ、すなわち種結晶載置部３ａの側面を覆う覆い部材である側面覆い部７ａの厚さは１０cmとした。従って、熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）に対する厚さｔ（ｍ）の割合は、上記実施例１よりも高く、ｔ／λ＝１．０×１０^-2となっている。

上記以外は実施例１と同じ条件で２０回成長を行った結果、単結晶歩留りは８０％以上で、単結晶の転位密度も全て平均５００個／cm²未満であった（表１の試作例２参照）。すなわち、本発明における１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の範囲における上限において良好な結果が得られた。

（実施例３）
直径５mmの種結晶６を用いた以外は、上記実施例１と同じ条件で２０回成長を行った（表１の試作例３を参照）。

その結果、単結晶歩留りは８０％以上で、単結晶の転位密度も全て平均５００個／cm²未満であった。すなわち、本発明における種結晶の直径５mm〜２５mmの範囲における下限において良好な結果が得られた。

（比較例１）
熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）の関係がｔ／λ＜１．０×１０^-3となるような支持部材７を用いた以外は、上記実施例１と同様な条件でＧａＡｓ単結晶の成長を行った（表１の試作例４を参照）。

成長を行った単結晶について、上記実施例１と同様に、定径部の種側、中央部および尾部側より（００１）面のウェハを切り出し、溶融ＫＯＨエッチングにより転位密度の評価を行った所、転位密度が平均５００個／cm²以上であった。すなわち、本発明における１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の範囲における下限を下回ると良い結果は得られない。

また、同じ条件で２０回成長を行った結果、単結晶歩留りは７０％と上記実施例１より低下した。

（比較例２）
熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）の関係がｔ／λ＞１．０×１０^-2となるような支持部材７を用いた以外は、上記実施例１と同じ条件でＧａＡｓ単結晶の成長を行った（表１の試作例５を参照）。

成長を行った単結晶について、上記実施例１と同様に、定径部の種側、中央部および尾部側より（００１）面のウェハを切り出し、溶融ＫＯＨエッチングにより転位密度の評価を行った所、転位密度が平均５００個／cm²以上であった。

また、同じ条件で２０回成長を行った結果、単結晶歩留りは６０％と上記（実施例１）より低下した。

（実施例４）
直径が２５mm以上の種結晶６を用いた以外は上記実施例１と同様な条件で、ＧａＡｓ単結晶の成長を行った（表１の試作例６を参照）。

成長を行った単結晶について、上記実施例１と同様に、定径部の種側、中央部および尾部側より（００１）面のウェハを切り出し、溶融ＫＯＨエッチングにより転位密度の評価を行った所、全ての試料において平均５００個／cm²未満であった。すなわち、本発明における種結晶の直径５mm〜２５mmの範囲における上限において良好な結果が得られた。

ただし、φ４インチ結晶からの種結晶の採取本数が１０本以下と上記実施例１の直径２５mmの種結晶の採取本数の１２本より少なくなり、経済性が悪くなった。

（比較例３）
直径が５mmより小さい種結晶６を用いた以外は、上記実施例１と同様な条件でＧａＡｓ単結晶の成長を行った（表１の試作例７を参照）。

成長を行った単結晶について、上記実施例１と同様に、定径部の種側、中央部および尾部側より（００１）面のウェハを切り出し、溶融ＫＯＨエッチングにより転位密度の評価を行った所、転位密度が平均５００個／cm²以上であった。すなわち、本発明における種結晶の直径５mm〜２５mmの範囲における下限を下回ると転位密度が多くなるという結果が得られた。

また、同じ条件で２０回成長を行った結果、単結晶歩留りは６５％と上記実施例１より低下した。

（比較例４）
直径が２５mmより大きい種結晶６を用いた以外は、上記実施例１と同様な条件でＧａＡｓ単結晶の成長を行った（表１の試作例８を参照）。

成長を行った単結晶について、上記実施例１と同様に、定径部の種側、中央部および尾部側より（００１）面のウェハを切り出し、溶融ＫＯＨエッチングにより転位密度の評価を行った所、転位密度が平均５００個／cm²以上であった。すなわち、本発明における種結晶の直径５mm〜２５mmの範囲における上限を上回ると転位密度が多くなるという結果が得られた。

また、同じ条件で２０回成長を行った結果、単結晶歩留りは６５％と上記実施例１より低下した。

上記試作例から、種付部近傍から発生し伝播する転位を、転位密度５００未満と少なくするためには、成長容器の種結晶載置部の側面を覆う部材の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）を１．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2の関係を満たすように設定することが必要であり、さらに種結晶の直径が５mm以上、２５mm以下であるように設定することが有効であることが分かった。

本実施例では、ＧａＡｓの単結晶成長について述べたが、ＧａＡｓの他に、例えばＩｎＰ、ＧａＰ等の化合物半導体単結晶成長に応用することも可能であり、同様の効果が得られる。

本発明に係る垂直ブリッジマン法による化合物半導体結晶成長装置の概略図である。 従来の化合物半導体結晶製造装置における結晶成長容器の断面略図である。

符号の説明

１ チャンバ
２ 不活性ガス
３ 成長容器
３ａ 種結晶載置部
３ｂ 増径部
３ｃ 定径部
４ ＧａＡｓ多結晶原料の融液
５ 液体封止剤（Ｂ₂Ｏ₃）
６ 種結晶
７ 支持部材
７ａ 側面覆い部（覆い部材）
７ｂ 増径部受け部
７ｃ 定径部包囲部
７ｄ 基台部
１０ 下軸

Claims (4)

1. 下部に種結晶載置部及び該種結晶載置部から上方に向けて直径が大きくなる増径部及びこれに続く直径が一定の定径部を有する成長容器を、支持部材により支持して加熱装置内に配置し、半導体融液を成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する垂直ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法による化合物半導体単結晶の成長装置において、
   成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材を設置し、該覆い部材の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と厚さｔ（ｍ）を
   １．０×１０^-3≦ｔ／λ≦１．０×１０^-2
   の関係を満たすよう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。
2. 請求項１記載の化合物半導体単結晶成長装置において、
   種結晶の直径が５mm以上、２５mm以下であることを特徴とする化合物半導体単結晶成長装置。
3. 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、
   前記成長容器を支持する支持部材に、前記成長容器の増径部の外周部全面に接触しこれを下方から支持する増径部受け部と、該増径部受け部の下端から垂下し前記種結晶載置部の周囲側面を囲繞する側面覆い部を設け、
   この支持部材の側面覆い部を、前記成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材として設置したことを特徴とする化合物半導体単結晶成長装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体単結晶成長装置において、
   前記成長容器の種結晶載置部の側面を覆う覆い部材をグラファイト又はアルミナで構成したことを特徴とする化合物半導体単結晶成長装置。

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