JP2009132587A

JP2009132587A - 半導体結晶成長方法及び半導体結晶成長装置

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Publication number: JP2009132587A
Application number: JP2007311755A
Authority: JP
Inventors: Masatomo Shibata; 真佐知柴田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-06-18

Abstract

【課題】結晶成長時に種結晶に加わる応力を緩和すると共に、種結晶、成長結晶、及びルツボの破損を防止して、低欠陥密度の半導体単結晶を再現性よく製造することのできる半導体結晶成長方法及び半導体結晶成長装置を提供する。
【解決手段】半導体融液３２を収容したルツボ２０内の半導体融液３２の表面に、ルツボ２０又はルツボ２０に設置される支持部材により支持されている種結晶３０を接触させた状態で半導体融液３２の温度を降下させて、種結晶３０の側からルツボ２０の他端、すなわち、ルツボ２０の開口部と反対側のルツボ２０の底部に向けて半導体融液３２を徐々に固化させ、化合物半導体結晶を成長させる。このとき、種結晶３０がチャンバー８０等のサセプタ５０の外部の部材に固定されていないので、種結晶３０を結晶成長に伴って自由に成長装置１の上下方向に移動させることができ、成長した結晶に加わる応力を大幅に軽減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体結晶成長方法及び半導体結晶成長装置に関する。特に、本発明は、欠陥密度の低い化合物半導体単結晶のインゴットを高い再現性で製造する半導体結晶成長方法及び半導体結晶成長装置に関する。

従来、Ｓｉ、ＧａＡｓ、及びＩｎＰ等を含む半導体単結晶の製造方法として、チョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法：ＣＺ法）、液体封止引き上げ法（ＬｉｑｕｉｄＥｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法：ＬＥＣ法）等が用いられている。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶の結晶成長の方法として、液体封止剤を用いるＫｙｒｏｐｕｌｏｓ法、すなわち、ＬｉｑｕｉｄＥｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＫｙｒｏｐｕｌｏｓ法（ＬＥＫ法）が用いられている。

例えば、ＬＥＫ法を用いた結晶成長の方法として、不活性ガス雰囲気の高圧容器内を加熱し、高圧容器内に配置したルツボ内の原料融液を液体封止剤で覆い、原料融液の温度を徐々に低下させて単結晶を成長させると共に、耐火性カバーで表面を覆った種結晶を原料融液に浸漬して種結晶を分解させる化合物半導体単結晶の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ルツボ内に収容した半導体融液をルツボの底部に設けられた種結晶配置部に配置した種結晶と接触させた状態で、半導体融液をルツボ内で下方から上方に向けて徐々に固化させることにより、化合物半導体の単結晶を成長させる縦型成長法、すなわち、縦型徐冷法（ＶｅｒｔｉｃａｌＧｒａｄｉｅｎｔＦｒｅｅｚｅ法：ＶＧＦ法）又は縦型ブリッジマン法（ＶｅｒｔｉｃａｌＢｒｉｄｇｍａｎ法：ＶＢ法）等も、化合物半導体の単結晶の成長に用いられている。

例えば、種結晶配置部の外周に種結晶を強制的に冷却する冷却手段を設置して、半導体結晶と半導体融液との間の固液界面の形状を平坦又は半導体融液側に向かって凸形状に制御する化合物半導体単結晶の製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献１に記載の化合物半導体単結晶の製造方法によれば、成長する結晶の肩部が形成された後に種結晶を全て分解させるので、成長した結晶の体積膨張に起因する応力が種結晶に加わることを排除できる。また、特許文献２に記載の化合物半導体単結晶の製造方法によれば、半導体結晶と半導体融液との固液界面形状の凹面化を防止することができるので、高品質の結晶を再現性よく製造することができる。

特開２００３−１１２９９３号公報特許第２８５０５８１号公報

ＬＥＫ法又はＶＧＦ法において用いられる結晶成長炉は、ヒーターの電流導入端子、ガスの入出用ポート、及び熱電対挿入ポート等の非対称に配置される部材を備えるため、炉内部の温度分布を完全な軸対象に保つことは困難であることから、結晶及びルツボを炉の中心軸に対して回転させながら結晶成長を実施する。ここで、ＬＥＫ法においては、融液の凝固が開始すると、種結晶とルツボとが一体化して回転しようとするので、種結晶を保持する上軸とルツボを支持する下軸とを同一方向に同一回転数で予め回転させることを要する。しかしながら、上下軸の芯の不一致や、回転数の乱れにより、結晶の増径の途中で結晶がルツボ側壁に衝突することによる多結晶化の進行や、種結晶が折れることによって成長の継続が困難になる場合がある。

更に、化合物半導体の融液は、凝固すると体積が膨張する性質を有する。例えば、ＧａＡｓの場合、融点における融液の密度は５．７１ｇ／ｃｍ^３であるのに対し、結晶の密度は５．１６ｇ／ｃｍ^３であり、融液の凝固により体積が約１割増加する。これにより、ルツボ内で融液を表面から凝固させると、結晶成長につれて成長した結晶がルツボに対して滑り、成長結晶の表面が上昇する。結晶成長の進行に対応させて種結晶を上昇させると、この成長結晶の表面上昇による種結晶中での応力の発生を回避することが可能であるが、ＬＥＫ法では、結晶成長中にルツボ内部を視認できないので、結晶成長の進行状況をリアルタイムに検知することが困難である。したがって、種結晶の上昇速度の制御が非常に困難であり、種結晶に応力が集中することによる種結晶の破損、及びルツボ等の部材の破損が発生する場合がある。

また、ＶＧＦ法及びＶＢ法においては、ルツボ下部に種結晶を配置し、種結晶の上方に原料融液が配置される。ここで、種結晶はルツボ下部の細径部に挿入されており、種結晶とルツボとの間に隙間が必然的に生じる。ルツボ又は種結晶のロットのばらつきに起因して、係る隙間はルツボごと及び／又は種結晶ごとにばらつくので、種結晶を介して放熱される熱量が結晶成長のランごとに変化し、結晶成長の再現性が得にくくなる問題がある。

係る問題の回避を目的として、ルツボと種結晶との間にＢ_２Ｏ_３を充填する方法があるが、Ｂ_２Ｏ_３の存在により種結晶及び成長した結晶がルツボに固着して、成長した結晶の取り出しが困難になると共に、ルツボの内面がＢ_２Ｏ_３の固化時及び成長結晶の取り出し時に剥離して、ルツボの寿命が低下する問題がある。

ここで、特許文献１及び２に記載の化合物半導体単結晶の製造方法ではいずれも、種結晶を有した状態で低欠陥の成長結晶を成長すると共に、ルツボ等の部材の破損を防止して再現性の良い結晶成長を実施することは困難である。

したがって、本発明の目的は、種結晶の保持方法を改良することにより、結晶成長時に種結晶に加わる応力を緩和すると共に、種結晶、成長結晶、及びルツボの破損を防止して、低欠陥密度の半導体単結晶を再現性よく製造することのできる半導体結晶成長方法及び半導体結晶成長装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、容器に半導体の原料を充填する原料充填工程と、容器又は容器に設置される支持部材により半導体の種結晶を支持する種結晶支持工程と、原料を収容した容器を加熱して、原料を融液とする原料溶融工程と、融液の温度を降下させて、種結晶側から容器の他端に向けて融液を徐々に固化させることにより半導体の単結晶を成長する結晶成長工程とを備える半導体結晶成長方法が提供される。

また、本発明は、上記目的を達成するため、容器に収容された半導体の融液に半導体の種結晶を浸漬して、融液を単結晶化して単結晶層を形成する工程と、単結晶層の表面の上昇によって種結晶に外力を付さずに種結晶を容器に対して上昇させる工程とを備える半導体結晶成長方法が提供される。

また、本発明は、上記目的を達成するため、開口部と底部とを有し、半導体の融液を収容する容器を備え、容器又は容器に設置される支持部材により、半導体の種結晶を支持する半導体結晶成長装置が提供される。

本発明の半導体結晶成長方法及び半導体結晶成長装置によれば、種結晶の保持方法を改良することにより、結晶成長時に種結晶に加わる応力を緩和すると共に、種結晶、成長結晶、及びルツボの破損を防止して、低欠陥密度の半導体単結晶を再現性よく製造することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る成長装置の断面図の概略を示す。

第１の実施の形態に係る半導体結晶成長装置としての成長装置１は、化合物半導体の半導体融液３２を収容した容器としてのルツボ２０内の半導体融液３２の表面に、ルツボ２０又はルツボ２０（又はサセプタ５０若しくは蓋６０）に設置される支持部材としての保持部４０により保持される種結晶３０を接触させた状態で半導体融液３２の温度を降下させて、種結晶３０の側からルツボ２０の他端、すなわち、ルツボ２０の開口部の反対側のルツボ２０の底部に向けて半導体融液３２を徐々に固化させる化合物半導体単結晶としての半導体結晶の成長装置である。

（成長装置１の構成）
第１の実施の形態に係る成長装置１は、半導体融液３２を収容するルツボ２０と、ルツボ２０を収容するサセプタ５０と、サセプタ５０の下方からサセプタ５０を保持する下軸（ペデスタル）５５と、種結晶３０が挿入される貫通穴６０ａを有してルツボ２０の上方の少なくとも一部を閉塞する蓋６０と、蓋６０のルツボ２０側の面に設けられ半導体を構成する一部の元素の原料を保持する原料保持部としてのリザーバ７０と、種結晶３０を保持する支持部材としての保持部４０とを備える。

また、第１の実施の形態に係る成長装置１は、サセプタ５０の周囲からルツボ２０内を加熱する複数のヒーター１０（例えば、ヒーター１０ａ及びヒーター１０ｂ）と、複数のヒーター１０の外部を包囲する断熱材９０と、サセプタ５０と複数のヒーター１０と断熱材９０とを収容する圧力容器としてのチャンバー８０とを更に備える。なお、化合物半導体としての半導体は、一例として、ＧａＡｓ、ＧａＰ、又はＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、若しくはＺｎＳｅ又はＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体が挙げられる。

ルツボ２０は、化合物半導体単結晶の原料として、成長する化合物半導体の多結晶を収容する。すなわち、ルツボ２０は、結晶成長の際の原料となる化合物半導体の多結晶を収容する。ルツボ２０は、上面視において略円形状であり、一例として、直径１６０ｍｍ、直胴部の長さ２８０ｍｍの略円筒形に形成される。なお、ルツボ２０は、多結晶を導入する側に開口部を有すると共に、開口部の反対側に所定の曲率の曲面を有して形成される底部を有する。

また、ルツボ２０は、熱分解窒化ホウ素（ＰｙｒｏｌｙｔｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ：ｐＢＮ）から形成される。なお、ルツボ２０は石英から形成することもできる。ルツボ２０は、ルツボ２０の開口部から導入された化合物半導体結晶の原料とｐ型用又はｎ型用の所定のドーパントとを所定量ずつ収容する。なお、成長する単結晶が真性化合物半導体である場合は、ドーパントは収容しない。ルツボ２０内では、所定の温度で融解した化合物半導体の原料の半導体融液３２と種結晶３０とが接触した領域からルツボ２０の底部に向かって化合物半導体の単結晶が成長する。

ペデスタル５５は、成長装置１に昇降及び回転が自在にできるように設けられる。ペデスタル５５は、一例として、グラファイトから形成される。ペデスタル５５は、回転装置（図示しない）の回転駆動力によって所定の方向に所定の回転速度で回転する。また、ペデスタル５５は、昇降装置（図示しない）の駆動力によって、例えば、重力方向に沿って所定の速度で昇降する。

サセプタ５０は、一端に開口部を有すると共に、他端に底部を有する筒状に形成され、内部にルツボ２０を収容する。サセプタ５０は、一例として、グラファイトから形成される。そして、サセプタ５０は、ペデスタル５５の上端に、ペデスタル５５と同心の位置に搭載される。これにより、ルツボ２０内の温度分布を緩やか、かつ、一定に保つことを目的として、結晶成長中にルツボ２０を回転させることができる。また、ペデスタル５５の昇降に応じて、サセプタ５０も昇降する。

複数のヒーター１０はそれぞれ、サセプタ５０と同心の位置であって、成長装置１の上部から下部へ向かう方向、すなわち成長装置１の上下方向に沿って多段に配置される。この場合に、複数のヒーター１０は、サセプタ５０の周囲を囲むように成長装置１の内部の所定の高さの位置にそれぞれ配置されて、ルツボ２０を加熱する。成長装置１は、一例として、ヒーター１０ａとヒーター１０ａの下段に設置されるヒーター１０ｂとを備える。ヒーター１０ａ及びヒーター１０ｂの設定温度は、サセプタ５０の上部（開口部側）がサセプタ５０の下部（底部側）よりも低温となる温度勾配を呈するように設定される。すなわち、ヒーター１０ａの設定温度をヒーター１０ｂの設定温度よりも低い温度に設定する。なお、サセプタ５０の上部と下部とで所定の温度勾配を設定及び維持することができる限り、ヒーター１０は３つ以上設けることもできる。

複数のヒーター１０はそれぞれ、一例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の材料から形成される抵抗加熱ヒーターで構成される。なお、複数のヒーター１０はそれぞれ、カーボンヒータ、赤外線加熱ヒーター、又はＲＦコイルで加熱した発熱体を２次ヒーターとして用いるヒーター等で構成することもできる。また、複数のヒーター１０の近傍にはそれぞれ、熱電対（図示しない）が設置される。複数のヒーター１０の温度はそれぞれ、熱電対からの電気信号に基づいて、外部の温度制御装置（図示しない）が制御する。

チャンバー８０は、ルツボ２０と、ルツボ２０を収容するサセプタ５０と、サセプタ５０を保持するペデスタル５５と、複数のヒーター１０と、断熱材９０とを密閉する。本実施の形態に係るチャンバー８０は、圧力容器としての機能を有する。これにより、ルツボ２０内において成長する化合物半導体の半導体融液３２が、大気圧以上の解離圧を有する場合、チャンバー８０内を解離圧以上の圧力に設定することにより、半導体融液３２の蒸発等を防止できる。なお、成長装置１は、チャンバー８０内の雰囲気を所定のガス雰囲気に設定する機能（図示しない）と、チャンバー８０内の圧力を一定値に保つガス圧制御機能（図示しない）とを備えて構成する。

蓋６０は、サセプタ５０の開口部側に搭載され、種結晶３０が挿入される貫通穴６０ａを有する。蓋６０は、一例として、グラファイトから形成される。蓋６０は、サセプタ５０の開口部の縁に設けられた蓋６０の外周形状に対応する凹部にはめ込まれることにより、サセプタ５０に固定される。そして、本実施の形態に係る貫通穴６０ａは、蓋６０の略中心、すなわち、サセプタ５０の同心の位置に設けられる。貫通穴６０ａは、種結晶３０の断面形状に対応する形に形成される。より具体的には、蓋６０は、サセプタ５０に面する表面の反対側の面側に筒形状の突起を有し、当該突起の中心を含む所定の領域に貫通穴６０ａが形成されている。

更に蓋６０は、サセプタ５０に面する表面の所定の領域に、半導体を構成する一部の元素の原料としての金属材料３４を保持するリザーバ７０を有する。一例として、成長装置１においてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の単結晶を成長する場合、リザーバ７０は、当該単結晶を構成する一部の元素としてのＶ族元素を含む金属材料３４（例えば、金属Ａｓ）を収容する。また、リザーバ７０は、複数の細孔７２を有して、一例として、グラファイトから形成される。

一例として、少なくとも結晶成長の開始と共にサセプタ５０が加熱された場合、すなわち、少なくとも結晶成長の初期段階において、複数の細孔７２からＶ族元素の材料から生じたＶ族元素を含む蒸気（例えば、Ａｓ蒸気）がサセプタ５０内部に拡散する。これにより、サセプタ５０の内壁及びルツボ２０の内壁と蓋６０とで閉じられた収容空間としての空間内にＶ族元素の蒸気が充満する。なお、収容空間は、ルツボ２０に収容されている半導体融液３２の融液表面３２ａとルツボ２０の一部及びサセプタ５０の一部並びに蓋６０とで略密閉される略気密な構造としての空間領域である。

保持部４０は、一例として、一端に開口を有すると共に、他端に種結晶３０の外周形状に対応する孔を有して断面略円形の筒状に形成される。そして、保持部４０の開口の内径は、蓋６０に形成されている突起の外径よりも大きく形成される。種結晶３０は、保持部４０の孔に挿入され、押しネジ４５により保持部４０に固定される。保持部４０に固定された種結晶３０は、蓋６０の貫通穴６０ａに挿入される。なお、保持部４０は、一例としてグラファイトから形成され、押しネジ４５は、一例として、モリブデンから形成される。

本実施の形態において、保持部４０は、蓋６０及びチャンバー８０に固定されておらず、保持部４０は成長装置１の上下方向に自由に可動する。すなわち、保持部４０は、半導体の結晶成長の進行に応じて重力方向（又は結晶成長の方向）に沿って、種結晶３０と共にルツボ２０（又は蓋６０）に対して自由に移動可能に構成される。換言すると、半導体融液３２の表面の位置、又は成長した結晶３３の表面の位置の変動に対応して、保持部４０及び種結晶３０は上下方向に移動する。ここで、保持部４０と蓋６０の突起との間には隙間が形成され、当該隙間は緩衝通路（ラビリンス）６５として機能する。すなわち、緩衝通路６５は、サセプタ５０の内側から外側へのガスの拡散を抑制しつつ、サセプタ５０内の圧力バランスを保持する構造を有する。なお、収容空間は、緩衝通路６５を介してサセプタ５０の外部と連結する。

断熱材９０は、複数のヒーター１０の外側を包囲して設けられる。断熱材９０を設けることにより、複数のヒーター１０が発した熱を、ルツボ２０に効率的に伝熱させることができる。また、本実施の形態に係る成長装置１においては、サセプタ５０において種結晶３０が保持されており、成長装置１０の外部の上方から成長装置１０内に引き上げ軸を挿入して、当該引き上げ軸で種結晶３０を保持することを要さないので、ルツボ２０の開口部上方に断熱材９０、又は断熱材９０の代わりに種結晶３０が半導体融液３２等から伝熱する熱を放熱する放熱材を設置することもできる。

（第１の実施の形態に係る成長装置の変形例）
なお、本実施形態に係る成長装置１においては、ＧａＡｓ等の単結晶だけではなく、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長することもできる。例えば、成長装置１を用いて、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の三元混晶結晶、若しくは、ＡｌＧａＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の四元混晶結晶を成長することもできる。また、本実施の形態に係る成長装置１において、Ｓｉ、Ｇｅ等のＩＶ族半導体結晶、又は、化合物半導体結晶若しくは半導体結晶ではない材料の結晶である、金属結晶、酸化物結晶、フッ化物結晶の結晶を成長することもできる。

また、サセプタ５０の開口部側の上方の空間及び／又はサセプタ５０の底部側を加熱することを目的として、複数のヒーター１０のうちの一部を、サセプタ５０の上部及び／又は下部に設置することもできる。更に、化合物半導体の単結晶の成長条件の安定化及び結晶成長の再現性の向上を目的として、種結晶３０を保持する保持部４０に種結晶３０の側を冷却する冷却部を更に備えることもできる。例えば、種結晶３０からの放熱を向上させることを目的として、保持部４０の表面に冷却部としての所定形状のフィンを形成することができる。フィンは、例えば、グラファイトの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料（例えば、ＡｌＮ、ＳｉＣ等）から形成できる。

また、成長雰囲気ガスをＶ族元素蒸気に保つことを目的として、種結晶３０を含むサセプタ５０の全体を、石英等から形成されたアンプルに封入することもできる。そして、当該アンプルを成長装置１内の所定の位置に設置して、化合物半導体の単結晶を成長することもできる。

更に、本実施の形態に係る成長装置１においては、半導体融液をルツボ２０内で下方から上方に向けて徐々に固化させることにより単結晶を成長させる縦型成長法である縦型徐冷（ＶｅｒｔｉｃａｌＧｒａｄｉｅｎｔＦｒｅｅｚｅ：ＶＧＦ）法、及び／又は縦型ブリッジマン（ＶｅｒｔｉｃａｌＢｒｉｄｇｍａｎ：ＶＢ）法を適用することもできる。すなわち、ＶＢ法だけを用いて結晶成長することもできる。

（成長装置１での結晶の成長の概要）
図２（ａ）から（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る成長装置における結晶成長の進行の概要を示す。

まず、図２（ａ）に示すように、結晶成長の前段階として、ルツボ２０には化合物半導体結晶の固体の原料３１（例えば、半導体の多結晶）が収容される。そして、保持部４０に保持された種結晶３０の種結晶端３０ａは、ルツボ２０に収容された原料３１の原料表面３１ａと接触する。この場合において、種結晶３０を保持している保持部４０が蓋６０から浮いた状態となる長さに種結晶３０の長さは調整される。すなわち、結晶成長の開始前において保持部４０は、蓋６０の貫通穴６０ａに挿入された種結晶３０が貫通穴６０ａにおいて支持されると共に、種結晶端３０ａが原料表面３１ａと接することにより、保持部４０の開口側と蓋６０との間に所定の空間４０ａを有した状態で蓋６０に支持される。

次に、ヒーター１０により原料３１が加熱されると、原料３１は融解して半導体融液３２となる。この場合、半導体融液３２の融液表面３２ａは、固体時における原料のすきまに応じて、原料表面３１ａの垂直方向における位置よりも所定の距離Ｌ１だけ下がる。したがって、図２（ｂ）に示すように、種結晶３０及び保持部４０は、重力により自動的に降下して、蓋６０と接触面４０ｂにおいて接触する。種結晶３０の端部である種結晶端３０ａは、半導体融液３２に浸漬され、浸漬した部分は半導体融液３２に融解する。一方、保持部４０が蓋６０に接することにより、図２（ａ）において示した空間４０ａが消滅する。これにより、種結晶３０が半導体融液３２に接触した状態で、種結晶３０はルツボ２０及びサセプタ５０に対して一定の位置に保持される。また、種結晶端３０ａを、成長装置１の垂直方向に沿って、蓋６０のルツボ２０側の表面から所定の位置に固定することができる。

なお、半導体融液３２は、ヒーター１０により半導体結晶の融点以上の温度に加熱されているが、種結晶３０は、半導体融液３２と接した部分を除いて融解しない。これは、半導体融液３２と接している種結晶端３０ａの反対側の種結晶３０の端部が、サセプタ５０の上部空間の半導体結晶の融点よりも低い温度の空間に露出していると共に、保持部４０が放熱フィンとして機能するためである。また、ヒーター１０の加熱によりリザーバ７０に収容されている金属材料３４からＶ族元素の蒸気が生じる。金属材料３４から生じた蒸気は、細孔７２から収容空間内に放出され、種結晶３０の表面からＶ族元素が解離して、種結晶３０に表面あれが発生することを抑制する。

続いて、結晶成長の進行は、半導体融液３２の温度を徐々に降下させ、種結晶端３０ａからルツボ２０の底部の側に向かって順に半導体融液３２を凝固させることにより、半導体の単結晶層としての単結晶が成長していくことにより単結晶のインゴットが形成される。半導体融液３２が凝固して結晶３３が成長する場合、半導体の固体の密度と液体の密度との密度差に応じて、結晶３３は半導体融液３２よりも体積が膨張して成長する。これにより、結晶３３の表面がルツボ２０に対して上昇する。したがって、図２（ｃ）に示すように、結晶成長の初期段階において凝固して生じた結晶３３の表面である結晶表面３３ａは、結晶成長の進行に応じて融液表面３２ａの垂直方向における位置よりも距離Ｌ２だけ上昇する。

ここで、本実施の形態に係る種結晶３０は、蓋６０に対して成長装置１の上下方向に自由に可動する保持部４０に保持されているので、半導体融液３２が凝固する際の体積膨張により、保持部４０は種結晶３０と共に上昇する。すなわち、蓋６０と接していた保持部４０は、再び蓋６０から離間する。これにより、保持部４０と蓋６０との間に再び空間４０ｃが生じる。したがって、本実施の形態に係る保持部４０は、半導体融液３２の凝固に伴う結晶３３の体積膨張によって発生する応力を、外部に逃がすことができる。つまり、図２（ｃ）のように種結晶３０をルツボ２０に対して上昇させるので、種結晶３０に外力が付されることがない。また、種結晶３０の上昇と共に保持部４０も上昇するが、収容空間に満たされたＶ族元素の蒸気は、緩衝通路６５の作用によって、収容空間内に閉じ込められる。

（第１の実施の形態に係る半導体結晶成長方法）
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体結晶成長のフローを示す。

第１の実施の形態に係る半導体結晶の成長方法は、半導体融液３２を収容したルツボ２０内の半導体融液３２の表面に、ルツボ２０又はルツボ２０に設置される支持部材により支持されている種結晶３０を接触させた状態で半導体融液３２の温度を降下させて、種結晶３０の側からルツボ２０の他端、すなわち、ルツボ２０の開口部と反対側のルツボ２０の底部に向けて半導体融液３２を徐々に固化させる化合物半導体結晶としての半導体結晶の成長方法である。

まず、ルツボ２０内に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多結晶の原料３１を充填する（Ｓ１００）。本実施の形態においては、一例として、ＧａＡｓの多結晶原料をルツボ２０に所定量、充填する。この場合、所望の導電型の単結晶を成長することを目的として、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｃ等の不純物原料をルツボ２０内に所定量、添加することもできる。続いて、サセプタ５０内にルツボ２０を載置する（Ｓ１１０）。そして、ルツボ２０を収容しているサセプタ５０を、成長装置１のペデスタル５５上に設置する。

続いて、所定の長さを有するＧａＡｓの種結晶３０に、保持部４０を押しネジ４５で固定することにより、保持部４０に種結晶３０を支持させる（Ｓ１２０）。一方、サセプタ５０の上に蓋６０を載せる（Ｓ１３０）。そして、ＧａＡｓの種結晶３０を保持した保持部４０を蓋６０の貫通穴６０ａに挿入することにより保持部４０を蓋６０に接続する（Ｓ１４０）。これにより、ルツボ２０がサセプタ５０内に封止される。

そして、成長装置１内、すなわち、チャンバー８０内を真空排気により減圧する。減圧後、チャンバー８０内に窒素、又はアルゴン等の不活性ガスを導入する（Ｓ１５０）。なお、真空排気と不活性ガスの導入とを、チャンバー８０内の容積に応じて繰り返し複数回、実施することにより、酸素及び水分をチャンバー８０内から除去する。この場合において、チャンバー８０内がＧａＡｓ単結晶の成長に適した圧力となるまで、不活性ガスがチャンバー８０内に導入される。

次に、複数のヒーター１０の発熱体の少なくとも一部の近傍に設置した熱電対の検出値、及び複数のヒーター１０それぞれの温度設定値に基づく温度コントローラのフィードバック制御により、サセプタ５０を所定の温度で加熱して、原料３１を融解させる（Ｓ１６０）。原料３１が溶融して半導体融液３２となると、種結晶３０の種結晶端３０ａが半導体融液３２に接する。そして、半導体融液３２に接した種結晶３０の部分が半導体融液３２に接して融解する。これにより、種結晶端３０ａが原料融解表面としての融液表面３２ａに、種結晶端３０ａが正確に接触した状態が保持される（Ｓ１７０）。

そして、複数のヒーター１０の設定温度をそれぞれ制御して、ＧａＡｓ単結晶を成長させる（Ｓ１８０）。すなわち、温度コントローラのフィードバック制御に基づいて、複数のヒーター１０の設定温度を徐々に低下させる。そして、種結晶３０と半導体融液３２とが接触している部分を起点として、半導体融液３２を、ルツボ２０の底部に向けてＧａＡｓ単結晶として成長させる。なお、原料３１の融解から単結晶の結晶成長終了までの一連の結晶成長工程を実施する間、回転装置と連結されているペデスタル５５を所定の方向に所定の回転速度で回転させ続ける。この場合において、種結晶３０及び保持部４０は、チャンバー８０等のサセプタ５０の外部の部材に固定されていないので、種結晶３０及び保持部４０は、サセプタ５０と共に回転する。

（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態に係る成長装置１及び半導体結晶成長方法によれば、種結晶３０がチャンバー８０等のサセプタ５０の外部の部材に固定されていないので、従来のカイロポーラス法と比べて、種結晶３０を、結晶成長に伴って自由に成長装置１の上下方向に移動させることができる。これにより、本実施の形態に係る成長装置１は、成長した結晶に加わる応力を大幅に軽減することができるので、残留歪み、及びクラック等の欠陥の発生を大幅に抑制した単結晶を成長させることができる。

更に、本実施の形態に係る成長装置１は、種結晶３０がチャンバー８０等のサセプタ５０の外部の部材に固定されていない、いわばチャンバー８０からフリーの状態で保持されるので、ルツボ及び結晶の回転を容易にできる。したがって、成長した単結晶及び成長装置１の各部材の破損を回避できる。また、Ｖ族元素の原料を保持するリザーバ７０を備えるので、収容空間内の雰囲気ガスをＶ族蒸気で満たすことができ、従来のカイロポーラス法に比べて、種結晶３０の表面あれを抑制して、単結晶成長の再現性を大幅に向上させることができる。

また、本実施の形態に係る成長装置１は、液体封止引き上げ法（ＬｉｑｕｉｄＥｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法：ＬＥＣ法）と比べて、単結晶の引き上げ軸及び引き上げ軸の駆動機構が不要であるので、機構が簡単で安価な成長装置１を提供することができる。また、ＬＥＣ法に比べて、勾配の緩い温度勾配下で結晶を成長させることができるので、欠陥密度の低い化合物半導体の単結晶を成長させることができる。

更に、本実施の形態に係る成長装置１は、蓋６０とルツボ２０及びサセプタ５０とによって収容空間を構成すると共に、緩衝通路６５を備えるので、ＬＥＣ法に比べて、チャンバー８０内に拡散するＶ族元素の量を大幅に減少させることができる。これにより、単結晶の結晶成長における原料の使用効率を向上させることができると共に、成長する単結晶の組成制御の安定性を向上させることができる。また、チャンバー８０内の清掃の手間も大幅に軽減できる。

また、本実施の形態に係る成長装置１及び半導体結晶成長方法によれば、ＶＧＦ法に比べて、結晶成長の初期段階において種結晶３０の端部を半導体融液３２に融解させることができるので、加工歪みが残存する種結晶端を容易に除去することができる。また、保持部４０に種結晶３０を挿入して種結晶３０を固定する場合に、種結晶端から半導体融液３２に融解させる量としての溶かし込み量を任意に設定できる。したがって、種結晶３０から成長する結晶３３に引き継がれる欠陥を減少させることができ、結晶成長の安定性及び再現性を大幅に向上させることができる。

更に、本実施の形態に係る成長装置１及び半導体結晶成長方法によれば、単純な構造のルツボ２０を用いることができ、従来のＶＧＦ法に要するルツボの種結晶収容部分の寸法精度の管理が不要となり、単結晶の成長の安定性及び再現性を向上させることができる。また、ＶＧＦ法で用いられる液体封止材としてのＢ_２Ｏ_３を用いることを要さないので、成長した単結晶をルツボ２０から取り出す手間を少なくすることができ、単結晶成長のスループットを大幅に向上させることができる。更には、ＶＧＦ法で用いられるＢ_２Ｏ_３を用いることを要さないので、副資材に要するコストを低減でき、かつ、ルツボの破損を防止できるので、単結晶の成長の総合的なランニングコストを大幅に低減できる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る成長装置の断面の概略を示す。

第２の実施の形態に係る成長装置１ａは、第１の実施の形態に係る成長装置１からリザーバ７０を取り除いた点を除き、成長装置１と略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き、詳細な説明は省略する。

成長装置１ａにおいては、ルツボ２０に半導体の原料３１を充填した後、原料３１の上に半導体を構成する一部の元素の原料を、所定量、直接載置する。これにより、ルツボ２０がヒーター１０によって加熱された場合に、原料３１の上に載置された元素の原料が収容空間内に拡散して、収容空間内に充満することとなる。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る成長装置の断面の概略を示す。

第３の実施の形態に係る成長装置１ｂは、第１の実施の形態に係る成長装置１からリザーバ７０を取り除き、液体封止剤９５を用いる点と、保持部４０の形状を変化させた保持部４１を用いる点とを除き、成長装置１と略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き、詳細な説明は省略する。

成長装置１ｂにおいては、ルツボ２０に半導体の原料３１を充填した後、原料３１の上に液体封止剤９５を所定量、充填する。液体封止剤９５は、一例として、Ｂ_２Ｏ_３である。また、成長装置１ｂにおいては、種結晶３０を保持する保持部４１は、一例として、種結晶３０の外周形状に対応する孔を有すると共に、断面が略円形又は略矩形若しくは略多角形の平板状に形成される。したがって、第１の実施の形態に係る成長装置１と異なり、成長装置１ｂに緩衝通路６５は存在しない。

ここで、半導体の原料３１が融解して半導体融液３２となった場合、保持部４１の蓋６０側の表面が蓋６０の突起の端部に接触する。これにより、種結晶端３０ａを、成長装置１ｂの垂直方向に沿って、蓋６０のルツボ２０側の表面から所定の位置に固定することができる。なお、蓋６０には、サセプタ５０内外の雰囲気ガスが自由に入れ替わることができる、複数の孔が設けられる。

［第４の実施の形態］
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る成長装置の断面の概略を示す。

第４の実施の形態に係る成長装置１ｃは、第１の実施の形態に係る成長装置１からリザーバ７０及び保持部４０を取り除いた点と、蓋６１がルツボ２０に接触している点とを除き、成長装置１と略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き、詳細な説明は省略する。

第４の実施の形態に係る成長装置１ｃおいては、蓋６１が種結晶３０を保持すると共に、蓋６１が容器としてのルツボ２０に支持されることにより、種結晶３０をルツボ２０に対して支持する。すなわち、蓋６１は、ルツボ２０の開口側にルツボ端２０ａに接して搭載され、種結晶３０が挿入される貫通穴６１ａを有する。そして、貫通穴６１ａは、蓋６１の略中心、すなわち、サセプタ５０の同心の位置に設けられる。貫通穴６１ａは、種結晶３０の断面形状に対応する形に形成される。より具体的には、蓋６１は、ルツボ２０に面する表面の反対側の面側に筒形状の突起を有し、当該突起の中心を含む所定の領域に貫通穴６１ａが形成されている。そして、種結晶３０は貫通穴６１ａに挿入され、押しネジ４５によって蓋６１に固定される。

なお、図示しないが、サセプタ５０の外周部のうち、開口部側の外周を、その内径を蓋６１の外径よりも大きくして形成してもよい。そして、蓋６１の外縁部の一部に複数の凸部を設け、サセプタ５０の内面のうち、その内径が蓋６１の外径よりも大きい部分に蓋６１の凸部に対応する凹部を形成することもできる。これにより、半導体融液３２が凝固した時に結晶３３の体積が膨張した場合に、蓋６１に固定されている種結晶３０が上方に押し上げられた場合であっても、蓋６１及び種結晶３０は、サセプタ５０の上下方向（重力方向と水平方向）にそのまま押し上げられる。

［第５の実施の形態］
図７は、本発明の第５の実施の形態に係る成長装置の一部であるルツボと保持部との斜視図を示す。

第５実施の形態に係る成長装置１ｄは、第３の実施の形態に係る成長装置１ｂとは種結晶３０の保持方法が異なる点を除き、成長装置１ｂと略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き、詳細な説明は省略する。

第５の実施の形態に係る成長装置１ｄにおいては、複数の足部４２を有する保持部４２が種結晶３０を保持する。具体的に、本実施の形態に係る保持部４２は、種結晶３０が挿入される貫通穴を有すると共に、種結晶３０の長手方向に略垂直な方向に、所定の長さを有して形成される複数の足部４２（例えば、足部４２ａ、足部４２ｂ、及び足部４２ｃ）を有する。足部４２はそれぞれ、ルツボ２０の縁と接することにより保持部４２をルツボ２０に対して保持する。ここで、複数の足部４２はそれぞれ、断面が略円形に形成される。なお、複数の足部４２の断面形状は、略多角形上に形成することもできる。

本実施の形態においては、半導体の原料の上に液体封止剤９５を充填する。結晶成長が開始されると、種結晶端３０ａは、原料が融解して生じた融液表面３２ａと接する。そして、結晶成長の進行に伴い、種結晶３０を保持している保持部４２は、結晶３３の生成に伴う結晶３３の体積膨張により、ルツボ２０の開口側に持ち上がる。この場合に、サセプタ５０は、サセプタ５０の内部表面に、複数の足部４２のそれぞれに対応した溝部をそれぞれ設けて形成することもできる。係る溝部を設けることにより、保持部４２が倒れることを防止できる。

実施例１においては、第１の実施の形態に係る成長装置１を用いて、ＳｉをドーピングしたＧａＡｓ単結晶を成長した。以下、具体的に説明する。

まず、直径１６０ｍｍ、直胴部の高さが２８０ｍｍのｐＢＮ製のルツボ２０に、別工程で合成した原料としての塊状のＧａＡｓ多結晶を２４，０００ｇ充填した。更に、ルツボ２０内に、ドーパントとしてのＳｉを７．２ｇ載置した。続いて、このルツボ２０を、サセプタ５０に収容した。そして、ルツボ２０を収容したサセプタ５０を、成長装置１内で昇降及び回転自在なペデスタル５５上に設置した。

次に、サセプタ５０に蓋６０をかぶせ、蓋６０の中央部に設けられた貫通穴６０ａに、ＧａＡｓの種結晶３０を挿入した。この種結晶３０には、断面形状が１０ｍｍ角の略四角であり、長さが１８０ｍｍの＜１００＞方位のＧａＡｓ種結晶を用いた。更に、種結晶３０に押しネジ４５を用いて保持部４０を固定した。この状態において、種結晶３０の下端（種結晶端３０ａ）は、多結晶の原料３１の表面と接触して、保持部４０に固定された種結晶３０が、サセプタ５０に対して自立した状態となっていた。

ここで、原料３１が融解した時に半導体融液３２の融液表面３２の位置が、原料表面３１ａの位置よりも下がること、及び種結晶３０の先端（種結晶端３０ａ）を半導体融液３２に溶かし込むための余裕分（溶かし込み量）を考慮して、蓋６０のルツボ２０側とは反対側の表面よりも約２０ｍｍ上方の位置に保持部４０の端部（開口側）が固定されるように、保持部４０を種結晶３０に固定した。

すなわち、まず、蓋６０の表面又はサセプタ５０の端部（開口部側）、若しくはルツボ２０の端部（開口側）を基準位置とする。そして、成長する半導体原料の固体の密度と成長する半導体の液体の密度との密度差、ルツボ２０の内径、ルツボ２０の高さ、及びルツボ２０が収容できる半導体融液３２又は結晶３３の体積（すなわち、ルツボ２０の容量）に応じて決定される距離と、種結晶３０の長さ、及び予め定められた種結晶３０の溶かし込み量とに基づいて、当該基準位置から所定の距離だけ上方に保持部４０の開口側が位置するように、保持部４０を種結晶３０に固定する。なお、蓋６０の裏側（ルツボ２０と対する面）のリザーバ７０の内部に、高純度金属Ａｓを５ｇ充填した。

続いて、原料３１を収容したルツボ２０をペデスタル５５に設置した後、チャンバー８０を密閉して、チャンバー８０内を真空／窒素置換により窒素ガス雰囲気とした。次に、複数のヒーター１０のそれぞれに通電して、複数のヒーター１０を加熱することにより、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を融解して、ＧａＡｓの融液を形成した。なお、原料の融解を実施するにあたり、ペデスタル５５を回転させることにより、ルツボ２０を１ｒｐｍの回転速度で回転させた。このルツボ２０の回転は、原料３１の融解から結晶成長の終了まで継続した。

また、複数のヒーター１０によりルツボ２０を加熱すると、チャンバー８０内の雰囲気ガスが体積膨張してチャンバー８０内の圧力が変化するので、ガス圧制御機能によりチャンバー８０内を一定の圧力に制御した。具体的には、チャンバー８０内の圧力が０．５ＭＰａを超えないように、チャンバー８０内の圧力をガス圧制御機能により自動制御した。チャンバー８０内の圧力は、結晶成長中も常に０．５ＭＰａの圧力となるように連続的に制御した。

リザーバ７０に充填した高純度金属Ａｓは、原料３１としてのＧａＡｓ多結晶が融解するよりも先に昇華した。そして、昇華したＡｓ蒸気は、細孔７２から収容空間内に拡散して、収容空間に充満した。ここで、過剰なＡｓ蒸気は、蓋６０と保持部４０との間に設けられた緩衝通路６５を通過して、サセプタ５０の外部に排出された。したがって、サセプタ５０の内外の圧力は常時、略等しくなると共に、収容空間内は常時Ａｓ蒸気で満たされた。これにより、ＧａＡｓ多結晶が融解した後の半導体融液３２としてのＧａＡｓ融液、及び種結晶３０の表面からＡｓが解離することの抑制ができると共に、ＧａＡｓ融液の組成が設計値からずれることを抑制することができた。更には、種結晶３０の損傷による多結晶の発生を抑制することもできた。

また、複数のヒーター１０の配置は、上下２段構造とした。すなわち、サセプタ５０の側面に沿って、サセプタ５０の開口部側を上として、上段ヒーターと下段ヒーターとをチャンバー８０内に設置した。そして、ＧａＡｓ多結晶が完全に融解して半導体融液３２となった後、上段ヒーターとしてのヒーター１０ａの設定温度を１２３０℃、下段ヒーターとしてのヒーター１０ｂの設定温度をヒーター１０ａの設定温度よりも高い温度である１２９５℃に設定した。ヒーター１０ａ及びヒーター１０ｂを係る設定温度に設定した後、半導体融液３２の温度を安定させることを目的として、１時間保持した。

この状態で、種結晶３０の先端（種結晶端３０ａ）はＧａＡｓ融液に接して融解した。そして、係る融解に伴い保持部４０は下降して、保持部４０の端部は蓋６０と接触した。ここで、種結晶３０の全体が融解することはなく、種結晶３０の先端がＧａＡｓ融液に接触している状態を保っていた。

チャンバー８０内の温度及びＧａＡｓ融液の温度が安定した後、上段ヒーター及び下段ヒーターの設定温度を、−０．８℃／ｈｒの降温速度で９６時間、降下させた。その後、上段ヒーター及び下段ヒーターの温度が８５０℃になるまで２４ｈｒ徐冷した。続いて、−２０℃／ｈｒの降温速度で上段ヒーター及び下段ヒーターの温度を４００℃まで冷却して、更に、上段ヒーター及び下段ヒーターの電源を切断して上段ヒーター及び下段ヒーターの温度を室温まで冷却した。

結晶成長中においては、ＧａＡｓ融液の凝固に伴う成長結晶の体積膨張により、成長結晶の表面の位置は上昇した。しかしながら、成長結晶が冷却されると、成長結晶の体積は収縮して、成長結晶の表面位置は再び下降した。係る成長結晶の表面位置の変化は、本実施例においては、約１０ｍｍ以上となるが、成長装置１においては、種結晶３０は保持部４０と共に蓋６０に対して上下自在に外部からの制御を要さずに可動するので、成長結晶の表面位置の変化に応じて種結晶３０及び保持部４０は、蓋６０に対して上下方向に自動的に移動した。これにより、成長結晶中に実質上、問題となる歪みが生じることを防止することができた。また、緩衝通路６５の機能により、種結晶３０及び保持部４０が蓋６０に対して上下に移動した場合であっても、収容空間内はＡｓ蒸気で常に満たされていたので、成長結晶の熱分解による表面あれなどに起因する損傷は、生じなかった。

続いて、冷却後、チャンバー８０内からサセプタ５０を取り出して、保持部４０及び蓋６０を取り外した後、ルツボ２０及び成長した結晶３３、すなわち、成長結晶を取り出した。なお、本実施例においては液体封止剤としてのＢ_２Ｏ_３を用いていないので、ルツボ２０の開口側を下に向けるだけで、容易に成長結晶（インゴット）を取り出すことができた。したがって、ルツボ２０が損傷することもなかった。

取り出した成長結晶を詳細に観察した。その結果、成長結晶の全長にわたって、ＧａＡｓの単結晶であることが確認された。また、上述した結晶成長の成長条件と同一の結晶成長条件を用いて、連続して２０回の結晶成長を実施した。その結果、全ての成長結晶が、その全長にわたって単結晶であることが確認された。

更に、本実施例において成長したＧａＡｓ単結晶のうちの１本を任意に選択して、選択したＧａＡｓ単結晶の定径部を、（１００）面の円形状ウエハとして切り出した。そして、切り出した複数のウエハのそれぞれに溶融ＫＯＨによるエッチングを施すことにより、転位に対応して発生するピットの密度係数の評価を実施した。その結果、成長結晶の全長にわたって、リネージ等の欠陥の発生は存在せず、ウエハ面内の平均転位密度は３０００ｃｍ^−２以下であり、実用上、低位で安定していることが確認された。

また、他の１９本の成長したＧａＡｓ単結晶についても、結晶の種結晶側、中央部、及び尾部からウエハを切り出して、上記と同様にピットの密度係数評価を実施したところ、いずれのウエハにおいても平均転位密度は３０００ｃｍ^−２以下であることが確認された。更に、ｒｕｎ−ｔｏ−ｒｕｎの再現性も良好であった。

実施例２においては、第２の実施の形態に係る成長装置１ａを用いて、ＳｉをドーピングしたＧａＡｓ単結晶を成長した。ＧａＡｓ単結晶の成長条件は、実施例１の場合と略同様の条件を用いた。以下、実施例１との相違点を中心にして具体的に説明する。

実施例２においては、ルツボ２０にＧａＡｓ多結晶を充填した後、ＧａＡｓ多結晶上に３ｇの金属Ａｓを直接、載置した。係る点を除き、他の成長条件は実施例１と同一にした。その結果、実施例２に係る成長装置１ａは、金属Ａｓを充填するリザーバ７０を備えないものの、結晶成長の開始から終了まで収容空間内をＡｓ蒸気雰囲気に保つことができた。そして、成長して得られたＧａＡｓ単結晶も、実施例１において得られたＧａＡｓ単結晶と同様な特性を有していた。

実施例３においては、第１の実施の形態に係る成長装置１を用いて、ＺｎをドーピングしたＧａＡｓ単結晶を成長した。以下、実施例１と同様な部分についての詳細な説明を除き、具体的に説明する。

まず、直径１６０ｍｍ、直銅部の高さが２６０ｍｍのｐＢＮ製のルツボ２０に、原料としての塊状のＧａＡｓ多結晶を２４，０００ｇ充填した。更に、ルツボ２０内に、ドーパントとしてのＺｎを１６．８ｇ載置した。続いて、このルツボ２０を、サセプタ５０に収容した。そして、ルツボ２０を収容したサセプタ５０を、ペデスタル５５上に設置した。

次に、サセプタ５０に蓋６０をかぶせ、蓋６０の中央部に設けられた貫通穴６０ａに、ＧａＡｓの種結晶３０を挿入した。この種結晶３０には、断面形状が１０ｍｍ角の略四角であり、長さが１６０ｍｍの＜１００＞方位のＧａＡｓ種結晶を用いた。更に、種結晶３０に押しネジ４５を用いて保持部４０を固定した。また、蓋６０の裏側のリザーバ７０の内部に、高純度金属Ａｓを４ｇ充填した。

続いて、原料３１を収容したルツボ２０をペデスタル５５に設置した後、チャンバー８０を密閉して、チャンバー８０内を窒素ガス雰囲気とした。次に、複数のヒーター１０のそれぞれに通電して、複数のヒーター１０を加熱することにより、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を融解して、ＧａＡｓの融液を形成した。なお、原料の融解を実施するにあたり、ルツボ２０を２ｒｐｍの回転速度で回転させた。このルツボ２０の回転は、原料３１の融解から結晶成長の終了まで継続した。また、実施例１と同様に、チャンバー８０内の圧力を、圧力が０．５ＭＰａを超えないように自動制御した。チャンバー８０内の圧力は、結晶成長中も常に０．５ＭＰａの圧力となるように連続的に制御した。

リザーバ７０に充填した高純度金属Ａｓは、ＧａＡｓ多結晶が融解するよりも先に昇華した。そして、昇華したＡｓ蒸気は、細孔７２から収容空間内に拡散して、収容空間を充満した。ここで、過剰なＡｓ蒸気は、蓋６０と保持部４０との間に設けられた緩衝通路６５を通過してサセプタ５０の外部に排出された。したがって、実施例１と同様に、サセプタ５０の内外の圧力は常時、略等しくなると共に、収容空間内は常時Ａｓ蒸気で満たされた。

また、複数のヒーター１０の配置は、上下２段構造とした。そして、ＧａＡｓ多結晶が完全に融解して半導体融液３２となった後、上段ヒーター（ヒーター１０ａ）の設定温度を１２３０℃、下段ヒーター（ヒーター１０ｂ）の設定温度を１２９５℃に設定した。ヒーター１０ａ及びヒーター１０ｂを係る設定温度に設定した後、半導体融液３２の温度を安定させることを目的として、１時間保持した。この状態で、種結晶３０の先端はＧａＡｓ融液に接して融解した。そして、係る融解に伴い保持部４０は下降して、保持部４０の端部は蓋６０と接触した。ここで、種結晶３０の全体が融解することはなく、種結晶３０の先端がＧａＡｓ融液に接触している状態を保っていた。

チャンバー８０内の温度及びＧａＡｓ融液の温度が安定した後、サセプタ５０を２ｍｍ／ｈｒの上昇速度で上昇させつつ、上段ヒーター及び下段ヒーターの設定温度を、−０．３℃／ｈｒの降温速度で４８時間、降下させた。その後、サセプタ５０の上昇を停止して、上段ヒーター及び下段ヒーターの設定温度を、−０．８℃／ｈｒの降温速度で更に４６時間、降下させた。続いて、上段ヒーター及び下段ヒーターの温度が９００℃になるまで２４ｈｒ徐冷した。そして、−２０℃／ｈｒの降温速度で上段ヒーター及び下段ヒーターの温度を４００℃まで冷却して、更に、上段ヒーター及び下段ヒーターの電源を切断して上段ヒーター及び下段ヒーターの温度を室温まで冷却した。

そして、冷却後、チャンバー８０内からサセプタ５０を取り出して、保持部４０及び蓋６０を取り外した後、ルツボ２０及び成長結晶を取り出した。本実施例においては液体封止剤としてのＢ_２Ｏ_３を用いていないので、ルツボ２０の開口側を下に向けるだけで、容易に成長結晶を取り出すことができた。したがって、ルツボ２０が損傷することもなかった。

取り出した成長結晶を詳細に観察した。その結果、成長結晶の全長にわたって、ＧａＡｓの単結晶であることが確認された。また、上述した結晶成長の成長条件と同一の結晶成長条件を用いて、連続して１０回の結晶成長を実施した。その結果、全ての成長結晶が、その全長にわたって単結晶であることが確認された。

更に、本実施例において成長したＧａＡｓ単結晶のうちの１本を任意に選択して、選択したＧａＡｓ単結晶の定径部を、（１００）面の円形状ウエハとして切り出した。そして、切り出した複数のウエハに溶融ＫＯＨによるエッチングをそれぞれ施すことにより、転位に対応して発生するピットの密度係数の評価を実施した。その結果、成長結晶の全長にわたって、リネージ等の欠陥の発生は存在せず、ウエハ面内の平均転位密度は５０００ｃｍ^−２以下であり、実用上、低位で安定していることが確認された。

また、他の９本の成長したＧａＡｓ単結晶についても、結晶の種結晶側、中央部、及び尾部からウエハを切り出して、上記と同様にピットの密度係数評価を実施したところ、いずれのウエハにおいても平均転位密度は５０００ｃｍ^−２以下であることが確認された。更に、ｒｕｎ−ｔｏ−ｒｕｎの再現性も良好であった。

実施例４においては、第３の実施の形態に係る成長装置１ｂを用いて、ＣをドーピングしたＧａＡｓ単結晶を成長した。以下、具体的に説明する。

まず、直径１６０ｍｍ、直銅部の高さが３００ｍｍのｐＢＮ製のルツボ２０に、別工程で合成した原料としての塊状の炭素（Ｃ）ドープのＧａＡｓ多結晶を２４，０００ｇ、及び液体封止剤としてのＢ_２Ｏ_３を４００ｇ充填した。続いて、このルツボ２０を、サセプタ５０に収容した。そして、ルツボ２０を収容したサセプタ５０を、成長装置１ｂ内で昇降及び回転自在なペデスタル５５上に設置した。

次に、サセプタ５０に蓋６０をかぶせ、蓋６０の中央部に設けられた貫通穴６０ａに、ＧａＡｓの種結晶３０を挿入した。この種結晶３０には、断面形状が１０ｍｍ角の略四角であり、長さが１８０ｍｍの＜１００＞方位のＧａＡｓ種結晶を用いた。更に、種結晶３０に押しネジ４５を用いて保持部４１を固定した。この状態において、種結晶３０の下端は、液体封止剤表面と接触して、種結晶３０が、サセプタ５０に対して自立した状態となっていた。

ここで、原料３１が融解した時に半導体融液３２の融液表面３２の位置が、原料表面３１ａの位置よりも下がること、及び種結晶３０の先端（種結晶端３０ａ）を半導体融液３２に溶かし込むための余裕分（溶かし込み量）を考慮して、蓋６０のルツボ２０側とは反対側の表面よりも約２０ｍｍ以上の上方の位置に保持部４１の表面が固定されるように、保持部４１を種結晶３０に固定した。また、サセプタ５０内の雰囲気ガスをサセプタ５０内外に自由に入れ替えることを目的として、本実施例に係る蓋６０には複数の孔を設けた。

続いて、原料３１を収容したルツボ２０をペデスタル５５に設置した後、チャンバー８０を密閉して、チャンバー８０内を一酸化炭素ガスを５％含有する窒素ガス雰囲気とした。次に、複数のヒーター１０のそれぞれを通電して、複数のヒーター１０を加熱することにより、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を融解して、ＧａＡｓの融液を形成した。なお、原料の融解を実施するにあたり、ルツボ２０を１ｒｐｍの回転速度で回転させた。このルツボ２０の回転は、原料３１の融解から結晶成長の終了まで継続した。

また、ガス圧制御機能によりチャンバー８０内を一定の圧力に制御した。具体的には、チャンバー８０内の圧力が０．５ＭＰａを超えないように、チャンバー８０内の圧力をガス圧制御機能により自動制御した。チャンバー８０内の圧力は、結晶成長中も常に０．５ＭＰａの圧力となるように連続的に制御した。

ルツボ２０に収容したＢ_２Ｏ_３は、ＧａＡｓ多結晶が融解するよりも先に軟化した。そして、軟化したＢ_２Ｏ_３は、ＧａＡｓ多結晶の表面の全域を覆った。これにより、ＧａＡｓ多結晶及びＧａＡｓ多結晶が融解して生じたＧａＡｓ融液、並びにＢ_２Ｏ_３中に存在する種結晶３０の表面からＡｓが解離することを抑制できた。したがって、ＧａＡｓ融液の組成が設計値からずれることを抑制することができ、かつ、種結晶３０の損傷による多結晶の発生を抑制することもできた。

また、複数のヒーター１０の配置は、実施例１と同様に上下２段構造とした。そして、ＧａＡｓ多結晶が完全に融解して半導体融液３２となった後、ヒーター１０ａの設定温度を１２３０℃、ヒーター１０ｂの設定温度を１２９５℃に設定した。ヒーター１０ａ及びヒーター１０ｂを係る設定温度に設定した後、半導体融液３２の温度を安定させることを目的として、１時間保持した。この状態で、種結晶３０の先端（種結晶端３０ａ）はＧａＡｓ融液に接して融解した。そして、係る融解に伴い保持部４１は下降して、保持部４１のサセプタ５０側の表面が蓋６０と接触した。ここで、種結晶３０の全体が融解することはなく、種結晶３０の先端がＧａＡｓ融液に接触している状態を保っていた。

結晶成長中においては、実施例１と同様に、成長結晶の表面の位置は上下動する。ここで、成長装置１ｂにおいては、種結晶３０は保持部４１と共に蓋６０に対して上下自在に可動するので、成長結晶の表面位置の変化に応じて種結晶３０及び保持部４１は、蓋６０に対して上下方向に移動した。これにより、成長結晶中に実質上、問題となる歪みが生じることを防止することができた。

続いて、冷却後、チャンバー８０内からサセプタ５０を取り出して、保持部４１及び蓋６０を取り外した後、ルツボ２０を取り出した。そして、ルツボ２０を湯に浸漬することによりＢ_２Ｏ_３を除去し、成長結晶を取り出した。

取り出した成長結晶を詳細に観察した。その結果、成長結晶の全長にわたって、ＧａＡｓの単結晶であることが確認された。更に、ＧａＡｓ単結晶の定径部を、（１００）面の円形状ウエハとして複数枚、切り出した。そして、切り出した各ウエハに溶融ＫＯＨによるエッチングを施すことにより、転位に対応して発生するピットの密度係数の評価を実施した。その結果、成長結晶の全長にわたって、リネージ等の欠陥の発生は存在せず、ウエハ面内の平均転位密度は５０００ｃｍ^−２以下であり、実用上、低位で安定していることが確認された。

更に、切り出したウエハの比抵抗を、ｖａｎｄｅｒｐａｕｗ法（Ｐａｕｗ法）により測定した。その結果、種結晶側のウエハ面内平均で１．１×１０^８Ω・ｃｍ、尾部側のウエハ面内平均で３．３×１０^８Ω・ｃｍという値を示し、成長したＧａＡｓ単結晶は、全域にわたって半絶縁性の特性であることが確認された。更に、本実施例と同一の結晶成長条件で、連続して１０回の結晶成長を実施し、上記と同様に成長結晶の特性を調査した。その結果、各ロットにおいて得られたＧａＡｓ単結晶は、上述した結果と同様の結果を示しており、ｒｕｎ−ｔｏ−ｒｕｎの再現性が得られることを確認した。

なお、実施例１から４においては、Ｓｉ、Ｚｎ、又はＣをドーピングしたＧａＡｓ単結晶について述べたが、ドーパントはこれらの材料に限られない。例えば、ｎ型ドーパントとしてのＳｅ、又はＳや、ｐ型ドーパントとしてのＭｇ等をドーピング材料として用いることもできる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

第１の実施の形態に係る成長装置の断面図である。（ａ）から（ｃ）は、第１の実施の形態に係る成長装置における結晶成長の進行の概要を示す図である。第１の実施の形態に係る半導体結晶成長のフローを示す図である。第２の実施の形態に係る成長装置の断面図である。第３の実施の形態に係る成長装置の断面図である。第４の実施の形態に係る成長装置の断面図である。第５の実施の形態に係る成長装置の一部であるルツボと保持部との斜視図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ成長装置
１０、１０ａ、１０ｂヒーター
２０ルツボ
２０ａルツボ端
３０種結晶
３０ａ種結晶端
３１原料
３１ａ原料表面
３２半導体融液
３２ａ融液表面
３３結晶
３３ａ結晶表面
３４金属材料
４０、４１、４２保持部
４０ａ、４０ｃ空間
４０ｂ接触面
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ足部
４５押しネジ
５０サセプタ
５５ペデスタル
６０、６１蓋
６０ａ貫通穴
６５緩衝通路
７０リザーバ
７２細孔
８０チャンバー
９０断熱材
９５液体封止剤

Claims

容器に半導体の原料を充填する原料充填工程と、
前記容器又は前記容器に設置される支持部材により前記半導体の種結晶を支持する種結晶支持工程と、
前記原料を収容した前記容器を加熱して、前記原料を融液とする原料溶融工程と、
前記融液の温度を降下させて、前記種結晶側から前記容器の他端に向けて前記融液を徐々に固化させることにより前記半導体の単結晶を成長する結晶成長工程と
を備える半導体結晶成長方法。
前記種結晶支持工程は、前記種結晶を、前記容器に対して上下方向に自由に可動できるように支持する
請求項１に記載の半導体結晶成長方法。
前記種結晶支持工程は、蓋を有する前記容器又は前記支持部材により、前記半導体の種結晶を前記容器に支持する
請求項１又は２に記載の半導体結晶成長方法。
前記種結晶支持工程は、前記種結晶を、前記容器の昇降及び／又は回転に応じて前記容器と共に自由に可動できるように支持する
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
前記結晶成長工程は、前記種結晶を前記容器と共に回転して前記単結晶を成長する
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
前記結晶成長工程は、前記融液を収容する収容空間を、前記容器又は前記支持部材と前記蓋とで略気密な構造として前記単結晶を成長する
請求項３に記載の半導体結晶成長方法。
前記結晶成長工程は、前記容器又は前記支持部材と前記蓋とで構成される前記融液を収容する収容空間を、外部の空間と緩衝通路（ラビリンス構造）で連結して前記単結晶を成長する
請求項３に記載の半導体結晶成長方法。
前記結晶成長工程は、前記容器又は前記支持部材と前記蓋とで構成される前記融液を収容する収容空間を、少なくとも結晶成長の初期段階において前記半導体の構成元素の一部の蒸気で満たす
請求項３、６、又は７のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
前記結晶成長工程は、前記半導体の構成元素の一部の蒸気を発生させる原料保持部を有する前記容器又は前記支持部材と前記蓋とで構成され前記融液を収容する収容空間で前記単結晶を成長する
請求項３、７、又は８のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
前記結晶成長工程は、前記融液を収容した前記容器を圧力容器内に設置し、前記融液を収容した前記容器の内外の圧力が略等しくなるように加圧して前記単結晶を成長する
請求項３、又は請求項６から９のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
前記結晶成長工程は、前記容器の前記種結晶を支持している側の一端を、前記容器の他端よりも低温に保持しつつ、前記融液の温度を降下させる
請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
容器に収容された半導体の融液に前記半導体の種結晶を浸漬して、前記融液を単結晶化して単結晶層を形成する工程と、
前記単結晶層の表面の上昇によって前記種結晶に外力を付さずに前記種結晶を前記容器に対して上昇させる工程と
を備える半導体結晶成長方法。
開口部と底部とを有し、半導体の融液を収容する容器
を備え、
前記容器又は前記容器に設置される支持部材により、前記半導体の種結晶を支持する
半導体結晶成長装置。
前記容器又は前記支持部材は、前記開口部の少なくとも一部を塞ぐ蓋を有しており、
前記蓋は、前記蓋又は前記蓋の一部により前記種結晶を支持する
請求項１３に記載の半導体結晶成長装置。
前記容器又は前記支持部材は、前記種結晶を前記容器に対して上下方向に自由に可動できるように支持する
請求項１３又は１４に記載の半導体結晶成長装置。
前記容器又は前記支持部材は、前記種結晶を、前記容器の昇降及び／又は回転に応じて前記容器と共に自由に可動できるように支持する
請求項１３又は１４に記載の半導体結晶成長装置。
前記蓋と、前記容器又は前記支持部材とで前記融液を収容する収容空間を構成し、
前記収容空間は、略気密な構造を有する
請求項１４に記載の半導体結晶成長装置。
前記蓋と、前記容器又は前記支持部材とで前記融液を収容する収容空間を構成し、
前記収容空間は、外部の空間と緩衝通路（ラビリンス構造）で連結する
請求項１４に記載の半導体結晶成長装置。
前記半導体の構成元素の一部の蒸気を発生させる原料保持部
を更に備え、
前記原料保持部は、前記容器又は前記支持部材と前記蓋とで構成され前記融液を収容する収容空間内に配置される
請求項１４、１７、又は１８のいずれか１項に記載の半導体結晶成長装置。
前記融液を収容する容器は、圧力容器内に設置される
請求項１３から１９のいずれか１項に記載の半導体結晶成長装置。