JP2009161395A

JP2009161395A - 化合物半導体単結晶の製造方法

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Publication number: JP2009161395A
Application number: JP2008000448A
Authority: JP
Inventors: Shinji Yabuki; 伸司矢吹
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2009-07-23

Abstract

【課題】ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＩｎＡｓ等の化合物単結晶において、単結晶から得られるウエハの取得歩留りを改善させる化合物半導体単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】不活性ガスを充填した耐圧容器内に収容したルツボ５に原料と液体封止剤とを収納して加熱し、種結晶７を原料融液に接触させつつ回転させながら単結晶１０を成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、ルツボの内半径がｒ（ｍ）であるときに、種結晶の回転数を５．８ｅ^４．９ｒ（ｒｐｍ）以下とすることにより、成長中の単結晶固体と原料融液との界面（固液界面）を、その全面に亘って凸型面とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体単結晶の製造方法に関する。

ＧａＡｓ等のIII-V族化合物半導体単結晶の製造方法として、不活性ガスを充填した耐
圧容器内に収容したルツボに原料と液体封止剤とを収納して加熱し、種結晶を原料融液に接触させつつ回転させながら単結晶を成長させるＬＥＣ（ＬｉｑｕｉｄＥｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法。以下、ＬＥＣ法と略す。）法等が知られている。

ＬＥＣ法により結晶成長させる際には、成長中の単結晶固体と原料融液との界面（固液界面）の形状が凹型になると、単結晶中の転位が結晶成長とともに凹面部に集積し、多結晶の発生につながってしまう。そのため、固液界面の形状を、固液界面の全面に亘り凸型面とすることが好ましい（例えば特許文献１〜６参照）。
特開平６−５６５８２号公報特開２００４−１０４６７号公報特開２００４−１０４６９号公報特開平９−７７５９０号公報特開２００２−２０１９３号公報特開平９−１４２９９７号公報

しかしながら、成長中の単結晶固体と原料融液との界面を、その全面に亘って凸型面とすることは困難であった。そして、固液界面には部分的に凹面部が形成され、転位が集積して多結晶が発生してしまい、単結晶から得られるウエハの取得歩留りを７５％以上に改善することは困難であった。

本発明は、単結晶から得られるウエハの取得歩留りを改善させる化合物半導体単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、不活性ガスを充填した耐圧容器内に収容したルツボに原料を収納して加熱し、種結晶を原料融液に接触させつつ回転させながら単結晶を成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、前記ルツボの内半径がｒ（ｍ）であるときに、前記種結晶の回転数を５．８ｅ^４．９ｒ（ｒｐｍ）以下とする化合物半導体単結晶の製造方法が提供される。

本発明の第２の態様によれば、前記ルツボを、前記種結晶の回転方向とは逆方向に５（ｒｐｍ）以上の回転数で回転させる第１の態様に記載の化合物半導体単結晶の製造方法が提供される。

本発明の第３の態様によれば、前記ルツボを、前記種結晶の回転方向とは逆方向に１０（ｒｐｍ）以上２０（ｒｐｍ）以下の回転数で回転させる第１または第２の態様に記載の化合物半導体単結晶の製造方法が提供される。

本発明の第４の態様によれば、前記化合物半導体単結晶はＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，
ＩｎＡｓのいずれかである第１から第３の態様に記載の化合物半導体単結晶の製造方法が提供される。

本発明にかかる化合物半導体単結晶の製造方法によれば、単結晶から得られるウエハの取得歩留りが改善される。

上述したとおり、ＬＥＣ法等により単結晶を成長させる際には、固液界面の形状を凸型面とすることが好ましい。また、凸型面の凸度（凸部の高さ）が大きいほど転位の集合が抑制されるため好ましい。しかしながら、成長中の単結晶固体と原料融液との界面（固液界面）を、全面に亘って凸型面とすることは困難であった。

固液界面は、成長中の単結晶固体と原料融液との間の熱流の方向に対して垂直面になるように形成される。すなわち、固液界面の形状は、成長中の単結晶固体と原料融液との間の熱流の方向を調整することによって制御することができる。

図２に、成長中の単結晶固体と原料融液との間の熱流を示す。符号２２は、固液界面２１を介して原料融液から単結晶固体内へ流入する熱を示し、その熱量はＱ１である。符号２３は、固液界面２１にて発生し単結晶固体内へ流入する原料融液の固化熱を示し、その熱量はＱ２である。符号２４は、単結晶固体を介して単結晶固体の上方（さらには単結晶固体の外部）に放出（伝達）される熱を示し、その熱量はＱ３である。なお、これら３つの熱量の間には、Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ３の関係式が成立する。

固液界面において凸型面の形成を促進する１つの方法として、上述した熱流モデルにおいて熱量Ｑ３を増やす方法が知られている。例えば、原料融液から引き上げた単結晶固体の上部を冷却し、引き上げ方向における単結晶固体内の温度勾配を大きくして熱量Ｑ３を増やすことで、固液界面の形状を凸型面とすることが可能である。しかしながら、引き上げた単結晶固体の上部を冷却しすぎると、単結晶固体内にスリップ転位が発生してしまう場合があった。

これに対し発明者は、固液界面において凸型面の形成を促進する他の方法について鋭意研究を行った。その結果、固液界面の形状を凸型とするには、固液界面を介して原料融液から単結晶固体内へ流入する熱量Ｑ１が少なくなるように、原料融液内の温度分布を制御することが有効であるとの知見を得た。具体的には、ルツボの底部から固液界面へと向かう原料融液内の温度勾配を小さくしつつ、固液界面付近における原料融液の温度を極力低くすることが有効であるとの知見を得た。更には、原料融液内の温度勾配は単結晶の回転（すなわち種結晶の回転）により生じる原料融液内の対流による影響を受けており、単結晶の回転数（すなわち種結晶の回転数）を制限することによって原料融液内の温度分布を上述のように好適化することが可能であるとの知見を得た。本発明は、かかる知見を基になされた発明である。

（１）ＧａＡｓ単結晶製造装置の構成
以下に、本発明の一実施形態にかかるＧａＡｓ単結晶製造装置１の構成例を、図１を参照しながら説明する。

本実施形態にかかるＧａＡｓ単結晶製造装置１は、耐圧容器としてのチャンバ２と、単結晶を引き上げる為の引上軸３と、原料の容器である熱分解窒化硼素（以下ＰＢＮと略す。）製のルツボ５と、このルツボ５を受ける為のルツボ軸４と、チャンバ２内およびルツボ５内の昇温手段としての抵抗加熱ヒータ８と、を有する。

チャンバ２は、その内部を気密に封止可能な耐熱・耐圧容器として構成されている。チャンバ２内は、図示しない排気口により真空排気され、図示しないガス供給口により不活性ガスが充填されるように構成されている。排気口やガス供給口に接続する配管は、例えばグラファイト等の耐熱材料とすることが好ましい。ルツボ５は、開口部を上方に向けた形でチャンバ２内に収容されるように構成されている。また、抵抗加熱ヒータ８は、カーボンヒータ等として構成され、ルツボ５の外周側面や底面などの周囲を取り囲む形でチャンバ２内に配置されている。

引上軸３は、チャンバ２内の気密を保持しつつチャンバ２の上壁（天井壁）を垂直に貫通するとともに、回転および昇降自在に構成されている。引上軸３の下端には種結晶保持治具１５が設けられ、種結晶保持治具１５によって種結晶７を取り付けることができるように構成されている。チャンバ２の外部から引上軸３を操作することで、種結晶７をチャンバ２内にて回転および昇降させることが可能なように構成されている。引上軸３の上端部には、引上軸３により引き上げられた単結晶１０の重量を測定するロードセル１４が設けられている。

ルツボ軸４は、チャンバ２内の気密を保持しつつチャンバ２の下壁（底壁）を貫通するとともに、回転自在に構成されている。ルツボ軸４の上端は、ルツボ５を下方から支持するように構成されている。チャンバ２の外部からルツボ軸４を回転させることで、ルツボ５をチャンバ２内にて回転させることが可能なように構成されている。

（２）化合物半導体単結晶の製造方法
次に、前述のＧａＡｓ単結晶製造装置１により実施される化合物半導体単結晶の製造方法について説明する。

先ず、原料としてのＧａＡｓ多結晶と液体封止剤としての三酸化硼素（Ｂ_２Ｏ_３）とを充填したルツボ５を、チャンバ２内のルツボ軸４上に設置する。又、引上軸３の下端に、成長させる単結晶の基となる種結晶７を取り付ける。この種結晶７のうち、後述するＧａＡｓ融液９と接する面（下面）を（１００）面とする。

次いで、チャンバ２内を真空排気した後、チャンバ２内に不活性ガスを充填する。その後、抵抗加熱ヒータ８に通電してチャンバ２内の温度を昇温させ、ルツボ５内のＧａＡｓ多結晶を融解させ、原料融液としてのＧａＡｓ融液９を生成する。その結果、ＧａＡｓ融液９の上面は全面に亘って液体封止剤６により封止された状態となり、ＧａＡｓ融液９からのＡｓ元素の揮発が抑制される。

続いて、引上軸３とルツボ軸４とを、回転方向が互いに逆になるようにそれぞれ回転させる。このとき、ルツボ５の内半径がｒ（ｍ）である（ルツボ５の内径が２ｒ（ｍ）である）ときに、引上軸３による種結晶７の回転数ｎ（すなわち引上軸３による単結晶１０の回転数）を５．８ｅ^４．９ｒ（ｒｐｍ）以下とする。ここで、ｅとは自然対数の底である。なお、ルツボ軸４の回転数ｍは０（ｒｐｍ）であってもよいが、抵抗加熱ヒータ８によるルツボ５内の加熱が均一となるように５（ｒｐｍ）以上とすることが好ましく、１０〜２０（ｒｐｍ）とすることがより好ましい。なお、種結晶７とルツボ軸４との間の相対的な回転数はｎ＋ｍ（ｒｐｍ）となる。

この状態で、引上軸３の下端に取り付けた種結晶７を、ＧａＡｓ融液９に接触するまでゆっくりと下降させる。

種結晶７がＧａＡｓ融液９に接触したら、抵抗加熱ヒータ８の設定温度を徐々に下げつ
つ、引上軸３を一定の速度で上昇させる。その結果、種結晶７の下部から単結晶１０の成長が開始され（種付けがなされ）、かかる単結晶１０の直径が徐々に太く成長し（増径部１３が成長し）、単結晶の結晶頭部１１から結晶肩部１２が形成されていく。単結晶径が定径に達したら、単結晶径が一定になるように抵抗加熱ヒータ８の設定温度等を調整しつつ、引上軸３の回転及び上昇を継続させて所定の長さの単結晶１０を製造する。

（３）単結晶の製造方法の検証
以下に、本実施形態にかかる化合物半導体単結晶の製造方法の評価結果について説明する。

まず、発明者は、ウエハ取得歩留り（％）と種結晶の回転数ｎ（ｒｐｍ）との関係について評価を行った。かかる評価結果を図３に示す。

かかる評価においては、内半径ｒ（ｍ）が、それぞれ４×２．５４／１００（＝０．１０１６）、７×２．５４／１００（＝０．１７７８）、９×２．５４／１００（＝０．２２８６）である３種類のルツボ５を用いた。そして、各ルツボ５内におけるＧａＡｓ融液９の初期厚さ（種結晶７が接触する前のＧａＡｓ融液９の深さ）を１００ｍｍ、液体封止剤６の初期厚さ（種結晶７が接触する前の液体封止剤６の厚さ）を１５ｍｍとした。そして、ルツボ軸４の回転数ｍを２０ｒｐｍ、引上軸３の上昇速度を１０ｍｍ／ｈとし、引上軸３による種結晶７の回転数ｎ（すなわち引上軸３による単結晶１０の回転数ｎ）を２５ｒｐｍから１ｒｐｍずつ下げながら単結晶をそれぞれ製造した。そして、各回転数にて得られた単結晶からウエハを製造し、その際のウエハの取得歩留りをそれぞれ求めた。なお、図３の◆印、□印、△印は、ルツボ５の内半径ｒ（ｍ）が４×２．５４／１００、７×２．５４／１００、９×２．５４／１００であるときの評価結果をそれぞれ示している。

図３によれば、引上軸３による種結晶７の回転数ｎを２５ｒｐｍから１ｒｐｍずつ下げるにつれてウエハの取得歩留りが徐々に改善され、７５％以上に到達していることが分かる。これは、引上軸３による種結晶７の回転数ｎを制限することにより、ルツボ５の底部から固液界面へと向かうＧａＡｓ融液９内の温度勾配が小さくなり、固液界面付近におけるＧａＡｓ融液９の温度が下がっていることが原因であると考えられる。すなわち、固液界面を介してＧａＡｓ融液９から単結晶１０内へ流入する熱量Ｑ１が少なくなり、固液界面において凸型面の形成が促進され、単結晶１０における転位の集積が抑制され、多結晶の発生が抑制されていることが原因と考えられる。

また、図３によれば、ルツボ５の内半径ｒ（ｍ）が小さい場合（◆印）には、ウエハの取得歩留りが７５％以上に到達する回転数ｎが比較的小さく、ルツボ５の内半径ｒ（ｍ）が大きい場合（△印）には、ウエハの取得歩留りが７５％以上に到達する回転数ｎが比較的大きいことが分かる。そこで発明者は、ウエハ取得歩留りが７５％以上となる回転数ｎ（ｒｐｍ）と、ルツボの内半径ｒ（ｍ）との関係についてさらに評価を行った。かかる評価結果を図４に示す。

図４に示す評価においては、内半径ｒ（ｍ）が４×２．５４／１００（＝０．１０１６）から９×２．５４／１００（＝０．２２８６）の範囲において順次大きく設定された８種類のルツボ５を用いた。そして、図３にて示した方法とほぼ同一の方法により、８種類の各ルツボ５についてウエハ取得歩留りが７５％以上となる回転数ｎ（ｒｐｍ）をそれぞれ求めた。

その結果、ルツボ５の内半径ｒ（ｍ）が大きくなるにつれてウエハの取得歩留りが７５％以上に到達する回転数ｎが大きくなることが分かった。そして、得られたデータから近似曲線を算出したところ、回転数ｎ＝５．８ｅ^４．９ｒ（ｒｐｍ）であることが分かった
。

また、図５に示す評価においては、８種類の各ルツボ５についてウエハ取得歩留りが８５％以上となる回転数ｎ（ｒｐｍ）をそれぞれ求めた。その他の条件は、図３、図４にて示した評価とほぼ同一の条件とした。

その結果、ルツボ５の内半径ｒ（ｍ）が大きくなるにつれてウエハの取得歩留りが８５％に到達する回転数ｎが大きくなることが分かった。そして、得られたデータから近似曲線を算出したところ、回転数ｎ＝２．１ｅ^８．５ｒ（ｒｐｍ）であることが分かった。

（４）本実施形態にかかる効果
上述の評価結果により、本実施形態は以下のうち１つまたはそれ以上の効果を奏することが分かる。

本実施形態によれば、引上軸３による種結晶７の回転数ｎ（引上軸３による単結晶１０の回転数ｎ）を５．８ｅ^４．９ｒ（ｒｐｍ）以下としている。その結果、単結晶１０から得られるウエハの取得歩留りを、例えば７５％以上にまで改善させることができる。さらには、引上軸３による種結晶７の回転数ｎ（引上軸３による単結晶１０の回転数ｎ）を２．１ｅ^８．５ｒ（ｒｐｍ）以下とすることで、単結晶１０から得られるウエハの取得歩留りを、例えば８５％以上にまで改善させることができる。

また、本実施形態によれば、ＧａＡｓ融液９から引き上げた単結晶１０固体の上部を過度に冷却することなく固液界面の形状を凸型面とすることが可能である。そのため単結晶１０固体内おけるスリップ転位の発生を抑制できる。また、従来は、原料融液から引き上げた単結晶固体の上部の冷却効果を高めるために、原料融液と単結晶固体の上部との間に遮熱板を設けるとともに、遮熱板を厚くしたり遮熱性を高める形状にしたりする必要があったが、本実施形態によればそのような必要がない。

＜本発明の他の実施形態＞
本発明はＧａＡｓ半導体単結晶を製造する場合に限定されず、例えばＩｎＰ，ＧａＰ，ＩｎＡｓ等の他の化合物半導体単結晶を製造する場合にも好適に適用可能である。また、本発明はＬＥＣ法に限定されず、液体封止剤を用いないＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法にも好適に適用可能である。

本発明の一実施形態にかかるＧａＡｓ単結晶製造装置の概略図である。成長中の単結晶固体と原料融液との間の熱流を示す該略図である。ウエハ取得歩留り（％）と種結晶の回転数ｎ（ｒｐｍ）との関係を示す表図である。ウエハ取得歩留りが７５％以上となる種結晶の回転数ｎ（ｒｐｍ）と、ルツボの内半径ｒ（ｍ）との関係を示す表図である。ウエハ取得歩留りが８５％以上となる種結晶の回転数ｎ（ｒｐｍ）と、ルツボの内半径ｒ（ｍ）との関係を示す表図である。

符号の説明

１ＧａＡｓ単結晶製造装置
２チャンバ（耐圧容器）
５ルツボ
７種結晶
９ＧａＡｓ融液（原料融液）
１０単結晶

Claims

不活性ガスを充填した耐圧容器内に収容したルツボに原料を収納して加熱し、種結晶を原料融液に接触させつつ回転させながら単結晶を成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、
前記ルツボの内半径がｒ（ｍ）であるときに、前記種結晶の回転数を５．８ｅ^４．９ｒ（ｒｐｍ）以下とする
ことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
前記ルツボを、前記種結晶の回転方向とは逆方向に５（ｒｐｍ）以上の回転数で回転させる
ことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
前記ルツボを、前記種結晶の回転方向とは逆方向に１０（ｒｐｍ）以上２０（ｒｐｍ）以下の回転数で回転させる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
前記化合物半導体単結晶はＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＩｎＡｓのいずれかである
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の化合物半導体単結晶の製造方法。