JP2006169057A

JP2006169057A - 化合物半導体単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP2006169057A
Application number: JP2004365208A
Authority: JP
Inventors: Koji Taiho; 幸司大宝; Shinji Yabuki; 伸司矢吹; Takashi Suzuki; 隆鈴木
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】ＬＥＣ法により結晶径１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造するに際し、成長する結晶の固液界面を最適な形状として、多結晶化を防止することにある。
【解決手段】ＬＥＣ法により結晶径が１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造する方法において、単結晶製造中の結晶回転数を８〜１２（ｒｐｍ）の範囲に定める。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＣ法により結晶径が１５０ｍｍ以上と大きな径の化合物半導体単結晶を製造する方法、特に砒化ガリウム単結晶を得るのに適した化合物半導体単結晶の製造方法に関するものである。

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。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、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。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：ＬｉｑｕｉｄＥｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法）により製造されている。

ＬＥＣ法での砒化ガリウム（以後、ＧａＡｓと略す）単結晶の製造方法の一例を、本発明の実施形態に係る図１を併用して説明する。

ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造装置１は、炉体部分である高圧容器２と、結晶を引き上げる為に下端に種結晶７を有する引上軸（シード軸）３、原料の容器であるＰＢＮるつぼ５、このるつぼを受ける為のるつぼ軸４を有する構造となっている。

結晶製造方法については、先ず原料の容器となるＰＢＮ（ＰｙｒｏｌｉｔｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ）製のるつぼ５に、ＧａＡｓ多結晶２５，０００ｇ、液体封止材６として三酸化硼素２，０００ｇを入れ、このるつぼ５を高圧容器２に収納し、高圧容器２内の圧力が９，０ｋｇ／ｃｍ²になるように不活性ガスを充填する。充填後、ヒータ８により加熱することで、三酸化硼素、ＧａＡｓ多結晶を融解させ、温度を調整し、種結晶７を降ろして種付けを行ない、その後引き上げることにより、結晶径φ１５５ｍｍ、結晶全長２００ｍｍのＧａＡｓ単結晶を成長させた。

上記結晶をウェハ状に切断し、鏡面研磨した後、ＫＯＨ液で転位をエッチングし、ウェハの結晶性を評価したところ、ウェハ面内でリネージ、亜粒界、粒界（以後、総称して多結晶と記す）が観察される場合がある。

一方、従来より、結晶径がφ１５０ｍｍ未満の場合については多くの研究がなされており、ＬＥＣ法で結晶製造中の固相と液相の界面（固液界面）の形状については、融液側に凸となる形状で行うように工夫されている。固液界面の形状が液相側に凹面形状になると、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、転位が集合して、多結晶化してしまうからである。

また、特開平９−２３５１９１号公報（特許文献１）には、目標直径が１１０ｍｍの結晶成長について、るつぼの回転数を１０ｒｐｍ、種結晶の回転数を２ｒｐｍとする成長例が実施例として記載され、また、るつぼを５ｒｐｍ、結晶を２ｒｐｍで回転した成長例や、るつぼを１０ｒｐｍ、結晶を５ｒｐｍで回転した成長例では、固液界面が依然として凹化の傾向を示すとされている。
特開平９−２３５１９１号公報（段落番号００３５、００４０）

しかしながら、本発明の成長対象である結晶径φ１５０ｍｍ以上の大口径結晶の場合には、次のような解決すべき課題がある。

一般的に、単結晶製造中は結晶を回転させる。この結晶回転数は、成長させる結晶径によらず一定である。従来の結晶径φ１０５ｍｍの結晶を成長させる時と同じ結晶回転数で、上述した結晶径φ１５５ｍｍの大口径結晶を成長させると、直径φ１０５ｍｍ以上の結晶外周位置が多結晶の起点となり、歩留を大きく低下させる。

既に触れたように、ＬＥＣ法により製造されたＧａＡｓ単結晶において、結晶が多結晶化する原因の１つに、結晶製造中の固相と液相の界面（図２に示す固液界面１１）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。固液界面１１の形状が液相側に凹面形状になると、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、転位が集合して、多結晶化してしまう。

固液界面１１の形状は、図２の如く原料融液９側に凸となる形状とするのが一般的であるが、図３及び図４に示すように、原料融液９内の温度差による自然対流１２と、結晶１０及びるつぼ５の回転による強制対流１３の二つの影響を大きく受けることが知られている。図２は理想的な対流バランスの場合の固液界面１１の形状を示す。

従来技術では、結晶径φ１５０ｍｍ以上の結晶を成長させる時に、図３の如く自然対流が支配的となってしまい、固液界面形状の変曲点が結晶中心付近に存在してしまう。変曲点が結晶中心付近に存在すると、転位が集中しやすくなると共に、転位が集中して発生したリネージが結晶外周部へ抜け難くなり、多結晶化してしまう問題が発生していた。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＬＥＣ法により結晶径１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造するに際し、成長する結晶の固液界面を最適な形状として、多結晶化を防止し得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。

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の製造方法は、ＬＥＣ法により結晶径が１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造する方法において、単結晶製造中の結晶回転数を８〜１２（ｒｐｍ）の範囲に定めることを特徴とする。

請求項２の発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、ＬＥＣ法により結晶径が１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造する方法において、結晶と原料用るつぼを互いに同一方向又は逆方向に回転させ、その結晶と原料用るつぼとの相対回転数ｎ（ｒｐｍ）を８≦ｎ≦１２の範囲に設定し、かつ結晶とるつぼとの絶対回転数を｜結晶回転数（ｒｐｍ）｜＞｜るつぼ回転数（ｒｐｍ）｜の関係に定めることを特徴とする。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

本発明は、ＬＥＣ法により結晶径φ１５０ｍｍ以上の化合物半導体単結晶、例えばＧａＡｓ単結晶を製造するに際し、結晶回転数を８〜１２ｒｐｍの範囲で設定して製造するものである。これによる本発明の効果として、ＬＥＣ法化合物半導体単結晶の固液界面を最適な形状とし、多結晶化を防ぐことができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

前提となるＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶製造装置には、上記した図１のものを用いた。すなわち、このＧａＡｓ単結晶製造装置１は、炉体部分である高圧容器２と、単結晶１０を引き上げる為に下端に種結晶７を有する引上軸（シード軸）３、原料融液９及び液体封止剤６の容器であるＰＢＮるつぼ５、このるつぼ５を受ける為のるつぼ軸４、ＰＢＮるつぼ５を加熱するためのヒータ８を有する構造となっている。

本発明では上記課題を解決するために、ＬＥＣ法により結晶径が１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造するに際して、単結晶製造中の結晶回転数を８〜１２（ｒｐｍ）の範囲に定める。

上記の手段を取った理由は、下記の表１の通りである。すなわち、単結晶製造中の結晶回転数の下限を８（ｒｐｍ）としたのは、結晶回転数を８ｒｐｍ未満とした場合には、図３の如く、原料融液９内の自然対流１２が支配的で、結晶外周部において、変曲点の位置が結晶中心付近へ存在し、転位の集積の起点となり、多結晶化してしまうからである。また結晶回転数の上限を１２ｒｐｍとしたのは、結晶回転数が１２ｒｐｍを超える場合は、結晶回転による強制対流の影響で、変曲点の位置が結晶径によらず、結晶中心付近に存在し、転位の集積の起点となり、多結晶化してしまうからである。

よって、ＬＥＣ法により結晶径１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造する場合は、単結晶製造中の結晶回転数を８〜１２（ｒｐｍ）の範囲に定めるのが適切である。

また、結晶回転数と変曲点位置の関係は図５の通りである。これは横軸に結晶径を、また縦軸に変曲点位置の結晶径に対する割合（変曲点位置／結晶径）を採ったもので、結晶回転数をパラメータとして変化させて表示したものである。

以下、本発明の実施例について説明する。

＜実施例１＞
ＰＢＮ製のるつぼにＧａＡｓ多結晶２５，０００ｇ、液体封止材６として三酸化硼素２，０００ｇをるつぼ５に入れ、高圧容器２に収納し、高圧容器２内の圧力が９，０ｋｇ／ｃｍ²になるように不活性ガスを充填する。充填後、ヒータ８により加熱することで、三酸化硼素、ＧａＡｓ多結晶を融解させ、温度を調整し、種付けを行ない、結晶径φ１５５ｍｍの結晶１０を結晶回転数１０ｒｐｍで成長させ、結晶全長２００ｍｍのＧａＡｓ単結晶を成長させた。

以上の条件で、２０本の結晶を作製した結果、多結晶の発生は、０本であった（歩留：１００％）。

次に上記実施例１と異なる条件での実施例及び比較例を以下に示す。

＜実施例２＞
実施例２として、結晶回転数を８ｒｐｍとし、２０本の結晶を作製した結果、多結晶は発生しなかった（歩留：１００％）。

＜実施例３＞
実施例３として、結晶回転数を１２ｒｐｍとし、２０本の結晶を作製した結果、多結晶は発生しなかった（歩留＝１００％）。

＜比較例１＞
比較例１として、結晶回転数を３ｒｐｍとし、２０本の結晶を作製した。この場合は図３の如く原料融液９内の自然対流が支配的（結晶回転数小）で、図５に曲線Ｄで示すように、結晶外周部において、変曲点の位置が結晶中心付近へ存在し、転位の集積の起点となり、８本が多結晶化した（歩留：６０％）。

＜比較例２＞
比較例２として、結晶回転数を５ｒｐｍとし、２０本の結晶を作製した。この場合は図３の如く原料融液９内の自然対流が支配的（結晶回転数小）で、図５に曲線Ｅで示すように、結晶外周部において、変曲点の位置が結晶中心付近へ存在し、転位の集積の起点となり、５本が多結晶化した（歩留：７５％）。

＜比較例３＞
比較例３として、結晶回転数を１５ｒｐｍとし、２０本の結晶を作製した。この場合は図４の如く結晶回転による強制対流が支配的（結晶回転数大）となり、その影響で、図５に曲線Ｆで示すように、変曲点の位置が結晶径によらず、結晶中心付近に存在し、転位の集積の起点となり、１０本が多結晶化した（歩留：５０％）。

以上の試作結果を表２に示す。

上記の試作結果から、単結晶製造中の結晶回転数を８〜１２（ｒｐｍ）の範囲に定めることが最適であることが確認された。
＜他の実施例、変形例＞
上記の実施形態ではＬＥＣ法によりＧａＡｓ単結晶を製造する場合に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の製造に際し、適用することが可能である。

また上記の実施形態では、ＬＥＣ法により結晶径が１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造するに際して、単結晶製造中の結晶回転数を８〜１２（ｒｐｍ）の範囲に定めた。しかし、本発明はＬＥＣ法により結晶径が１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造する方法において、結晶と原料用るつぼを互いに同一方向又は逆方向に回転させる場合に適用することもできる。すなわち、その結晶と原料用るつぼとの相対回転数ｎ（ｒｐｍ）を８≦ｎ≦１２の範囲に設定し、かつ結晶とるつぼとの絶対回転数を｜結晶回転数（ｒｐｍ）｜＞｜るつぼ回転数（ｒｐｍ）｜の関係に定めることで、上記と同様に、成長する結晶の固液界面を最適な形状として、多結晶化を防止する効果を得ることができる。

本発明の化合物半導体単結晶の製造方法を適用したＧａＡｓ単結晶製造装置の概略図である。本発明の化合物半導体単結晶の製造方法による、理想的な対流バランス状態を例示した概略図である。比較のため、結晶回転数が小さく自然対流が支配的である状態を例示した概略図である。比較のため、結晶回転数が大きく強制対流が支配的である状態を例示した概略図である。試作例の結晶回転数と変曲点位置の関係を示した図である。

符号の説明

２高圧容器
３引上軸
４るつぼ軸
５るつぼ
６液体封止材（三酸化硼素）
７種結晶
８ヒータ
９原料融液
１０単結晶
１１固液界面

Claims

ＬＥＣ法により結晶径が１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造する方法において、
単結晶製造中の結晶回転数を８〜１２（ｒｐｍ）の範囲に定めることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
ＬＥＣ法により結晶径が１５０ｍｍ以上の大口径の化合物半導体単結晶を製造する方法において、
結晶と原料用るつぼを互いに同一方向又は逆方向に回転させ、その結晶と原料用るつぼとの相対回転数ｎ（ｒｐｍ）を
８≦ｎ≦１２
の範囲に設定し、かつ結晶とるつぼとの絶対回転数を
｜結晶回転数（ｒｐｍ）｜＞｜るつぼ回転数（ｒｐｍ）｜
の関係に定めることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。