JPH02233588A - 単結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＩｎＰ単結晶の育成技術に関し、特にイオウも
しくは亜鉛をドープしたＩｎＰ単結晶を液体封止チョク
ラルスキー法（以下、ＬＥＣ法と称する）により製造す
る場合に利用して効果のある技術に関する。

［従来の技術］ ＩｎＰ単結晶の育成法の一〇にＬＥＣ法がある。

ＬＥＣ法によりＩｎＰ単結晶を育成する場合、温度勾配
が小さいと、液体封止剤の表面温度が高くなりすぎて結
晶引上げ中に封止剤上にさらされた単結晶の表面が分解
し、はなはだしくは溶解が始まり引上げができなくなる
．そのため、ＬＥＣ法によるＩｎＰ単結晶の育成では結
晶軸方向の温度勾配を大きくしなくてはならなかった。

しかし、逆に温度勾配が大きすぎると、結晶内の熱応力
が大きくなり、ＥＰＤ　（転位密度）が増加するという
問題が生じる。

このように、従来のＬＥＣ法によるＩｎＰ単結晶の育成
においては、温度勾配の制御で単結晶化と低ＥＰＤ化の
両方の要求を同時に達成することができなかった。

このような問題点を解決するため、ＶＭ−ＦＥＣ法や直
接合成法，蒸気圧制御法等様々な技術が提案されている
（例えば特開昭６３−２７４６９０号）。

［発明が解決しようとする問題点］］ 上記従来技術はいずれも実用化する上で問題を残してい
る。その理由は、ＶＭ−ＦＥＣ法や直接合成法では単結
晶化率が低く歩留りが悪い。また蒸気圧制御法では、容
器を高圧にするため引上げ軸やるつぼ回転軸を封止剤で
封止するなどして容器を密閉構造にしなくてはならない
ので、装置および作業が複雑になり、はなはだしくは育
成ごとに密閉容器の一部を破壊しなければならなくなる
からである。

さらに、イオウや亜鉛を含むＩｎＰ単結晶では、不純物
硬化作用を利用して、転位密度を低くすることが可能で
ある。しかし、直径２インチのＩｎＰ単結晶において平
均ＥＰＤを５００ａｍ−”以下とするには、キャリア濃
度が６〜７　Ｘ　１　０”ａｓ−”以上になるまでドー
パント（不純物）を注入しなければならない。このよう
にキャリア濃度の高い単結晶にあっては、デバイスを製
造する際に基板上にエビタキシャル成長を行なうと、結
晶中のドーパントがエビタキシャル層中に拡散して抵抗
率が変化してしまうという問題を生じる。

この発明は、上記のような問題点を解決すべくなされた
もので、その目的とするところは、比較的簡単な装置を
用いて，しかも装置の一部を破壊したり、ドーパン１・
量を増加させることなく、転位密度が低くかつ単結晶化
率の高いＳまたはＺｎ含有ＩｎＰ単結晶を工業的に製造
できるような結晶製造技術を提供することにある。

Ｅ問題点を解決するための手段］ この発明は，上記目的を達成するため、ＬＥＣ法により
イオウもしくは亜鉛を含むＩｎＰ単結晶を育成するにあ
たり，上記るつぼの周囲を、少なくとも結晶引上げ軸が
貫通する部位に上記引上げ軸と嵌合する円筒部が形成さ
れてなる半密閉型容器で覆うとともに、上記半密閉型容
器には、引上げ軸の隙間から流出する揮発性元素の蒸気
の減少分を補給する蒸気補給手段が接続し、該蒸気補給
手段によって上記半密閉型容器内にＱ，Ｑｌａｔｍ以上
４　ａｔｍ以下のリン蒸気圧を加え、かつ液体封止剤の
鉛直方向温度勾配を５０℃／ａ１以上９０℃／】以下に
制御して結晶の引上げを行なうようにした。

なお、ここで、温度勾配とは融液界面と封止剤表面の温
度差を封止剤の厚さで除した値である。

［作用］ 上記した手段によれば、半密閉容器内に印加されたリン
蒸気圧によって封止剤上にさらされた単結晶の表面から
蒸気圧の高いリンが蒸発するのを防止できるとともに、
温度勾配が低すぎないため単結晶の表面の溶解や双晶の
発生を防止でき、かつ温度勾配が高すぎないため転位の
増殖を抑えることができるので、転位密度が低くかつ単
結晶化率の高いＳまたはＺｎ含有ＩｎＰ単結晶を製造す
ることかできる． しかも、リン蒸気圧を４　ａｔｍ以下としたので引上げ
軸が貫通する部位に引上げ軸と嵌合する円筒部を有する
構造簡単でかつ破壊せずに取外し可能な半密閉型容器を
用いてＩｎＰ単結晶を育成できるようになり、工業的に
実用化することが容易となる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

［実施例］ 第１図は本発明方法を実施する際に使用される単結晶成
長装置の一実施例を示す。

第１図において、１は不活性ガスもしくは窒素ガスによ
って加圧される高圧容器、２は高圧容器１の中央に配置
され、回転軸３によって支持されたるつぼで、このるつ
ぼ２内に原料（ＩｎＰ多結晶塊）とＢ２０，のような封
止剤４が収納される。

また、高圧容器１の上方からは、るつぼ２内に向かって
引上げ軸５が回転可能かつ上下動可能に垂下されている
。

この実施例では、上記るつぼ２の周囲にカバー部材６が
設けられ、その外側に加熱用ヒータ７が配置されている
．カバ一部材６の底壁には、るつぼを支持する回転軸３
と嵌合する円筒部６ａが形成されている．また、カバ一
部材６の上部には、覆い部材８が取り付けられ、カバ一
部材６と覆い部材８とにより半密閉型容器が構成されて
いる。

そして、上記覆い部材８の周囲には保温用ヒータが配置
され、覆い部材８の上端には、上記引上げ軸５と嵌合す
る円筒部８ａが形成されている．この実施例では、上記
円筒部８ａと引上げ軸Ｓとの隙間および回転軸３と円筒
部６ａとの隙間が、その隙間の断面積Ａと円筒部６ａ，
８ａの長さＬとの比Ａ／Ｌが各々０．０６ａｍ以下とな
るように設計してある． さらに、この実施例の装置では、カバ一部材６の底壁の
一部から下方に向かって下端が閉塞された導管６ｂが延
設されており、導管６ｂの下部周囲には補助ヒータ１０
が配置されている．この導管６ｂ内にヒ素のような揮発
性元素を入れ、補助ヒータ１０により加熱することによ
って．その蒸気を適宜量だけカバ一部材６と覆い部材８
とで囲まれた結晶成長雰囲気となる空間内に供給できる
ようにされている．つまり、導管６ｂの一部と補助ヒー
タ１０とにより、蒸気補給手段としてのリザーバが構成
されている． このリザーバを構成するヒータ１ｏの温度を調節するこ
とにより，引上げ軸５と回転軸３の隙間から流出するリ
ンの蒸気量に見合った量の蒸気を発生させて補うことが
できる．これにより、るつぼ２の周囲のリン蒸気圧を、
長時間（士数時間）の結晶育成中ずっと一定に保つこと
ができる。

このように、リンの蒸気圧が一定に保たれると、るつぼ
内の原料融液１６および成長結晶体１７の表面からのリ
ンの揮散を極力防止することができる．また、本実施例
の装置は構造が簡単であるとともに、２重融液シール法
で問題となっていた軸と容器との密着が回避され、装置
を繰り返し使用できるようになり、生産性が飛躍的に向
上するとともに、融液シール部からのシール材料の滴下
による汚染が防止され，高品質の単結晶を再現性良く製
造することができる． 次に、第１図に示す単結晶引上げ装置を用いて、実際に
ＩｎＰ単結晶の成長を行なった際の手順について説明す
る． 先ず、原料としてＨＢ法によって合成したＩｎＰ多結晶
２３００ｇを、また添加剤としてＩｎ，Ｓ　ａ　Ｏ　−
　８　ｇをるつぼ２内に仕込み、その上に封止剤として
Ｂ２０，を７００ｇ入れた．使用したるつぼは石英ガラ
ス製で、内径が６インチの大きさである．また、Ｂ２０
３中の温度勾配を７５℃／（至）とするとともに、高圧
容器１内は４０ａｔｌのＮ２ガスで満たし、リザーバー
により補給するリンの蒸気圧はＱ．ｌａｔ園とした。そ
して、引上げ軸５を１０ｒｐ−の速度で、また、るつぼ
２の回転軸３を３０ｒｐ署の速度で引上げ軸と逆方向に
回転させながら，ｌ　Ｑｍｍ／ｈｒの速さで引上げ軸５
を上昇させ、およそ１２時間かけて結晶の成長を行なっ
た．その結果、直胴部の直径６０ＩＩｍ、長さ１５０■
、重量約２．０ｋｇのＩｎＰ単結晶が得られた．結晶の
表面は金属光沢を呈し、リンの分解のないことを示して
いた。容器を半密閉とせず開放系とし，蒸気圧を制御し
ないで育成した結晶は表面分解が大きく、成長方向に垂
直に切断してウェーハを切り出すと周辺部に分解に起因
するＩｎのドロップレットがみられたが、上記実施例の
蒸気圧制御を行なって育成した結晶ではＩｎドロップレ
ッドの発生はなかった。

上記のようにして得られたＳドープＩｎＰ結晶を引上げ
軸と直交する方向に切断し、キャリア濃度、転位密度を
瀾定した． 第２図はそのＥＰＤとキャリア濃度の関係を示し、比較
のために従来のＬＥＣ法によって引き上げた結晶の結果
も併記した．同図において、◆印は温度勾配を１２０〜
１５０℃／Ｑｌとした従来の一般的なＬＥＣ法により育
成したＩｎＰ単結晶について測定されたＥＰＤ値をプロ
ットとしたもの、また口印は本発明方法を適用して得ら
れたＩｎＰ単結晶について測定されたＥＰＤ値をプロッ
トしたものである。第２図からわかるように従来よりも
低いキャリア濃度でも低ＥＰＤ化されていることがわか
る． 第３図はキャリア濃度６　．　Ｏ　Ｘ　１　０”ａｍ−
’におけるＥＰＤ分布を示したものである。このうち同
図（Ａ）は従来のＬＥＣ法により育成された結晶に関す
るもの、また同図は本実施例により育成された結晶に関
するものである。同図において、口は一辺５ｍｍの正方
形領域内における平均ＥＰＤ［が５００Ｃ！ｌ−”以下
の領域、口は同じ＜ＥＰＤ値が５　０　０〜５　０　０
　００ｍ−２以下の領域、■はＥＰＤ値が５０００ａｍ
−”を超える領域であることをそれぞれ示している。同
図より本実施例では転位密度５００／ｃ”以下の無転位
領域が４０ｍｍφ以上あるが、従来法では２０ｌＩ１φ
程度であることがわかる。

なお、上記実施例では封止剤中の温度勾配を７５℃／ａ
Ｉとしたが，これに限定されるものではない。ただし、
温度勾配を９０℃／ａ１以上とすると無転位領域が狭く
なり、５　０　’Ｃ　／　ａｎ以下とすると双晶が発生
し易くなるので、５０〜９０℃／ａｓの範囲が妥当であ
る。

また、上記実施例ではイオウをドープしたＩｎＰ単結晶
の製造を説明したが亜鉛を含むＩｎＰ単結晶の製造にも
適用でき、同様の効果が得られる。

［発明の効果］ 以上説明したごとくこの発明は、イオウもしくは亜鉛を
含むＩｎＰ単結晶を育成するにあたり、少なくとも結晶
引上げ軸が貫通する部位に上記引上げ軸と嵌合する円筒
部が形成されてなる半密閉型容器でるつぼの周囲を覆う
とともに、上記半密閉型容器には、引上げ軸の隙間から
流出する揮発性元素の蒸気の減少分を補給する蒸気補給
手段を接続し、該蒸気補給手段によって上記半密閉型容
器内に０，Ｏｌａｔｍ以上４　ａｔｍ以下のリン蒸気圧
を加え、かつ液体封止剤の鉛直方向温度勾配を５０”Ｃ
　／　ａｍ以上９０℃／ａ１以下に制御して結晶の引上
げを行なうようにしたので、半密閉容器内に印加された
リン蒸気圧によって封止剤上にさらされた単結晶の表面
からリンが蒸発するのを防止できるとともに、温度勾配
が低すぎないため単結晶の表面の溶解や双晶の発生を防
止でき、かつ温度勾配が高すぎないため転位の増殖を抑
えることができるので、転位密度が低くかつ単結晶化率
の高いＳまたはＺｎ含有ＩｎＰ単結晶を製造することが
できる。

しかも、リン蒸気圧を４ａｔ一以下としたので引上げ軸
が貫通する部位に引上げ軸と嵌合する円筒部を有する構
造が簡単でかつ破壊せずに取外し可能な半密閉型容器を
用いてＩｎＰ単結晶を育成できるようになり、工業的に
実用化することが容易となるという効果がある。

なお、上記実施例ではるつぼを支持する回転軸３と引上
げ軸５の両方の軸のまわりに、隙間断面積Ａと長さＬの
比Ａ／Ｌが所定値以下となる円筒部６ａ，８ａを設けて
いるが、少なくとも引上げ軸５についてそのような構造
としておけば容器を開閉できるので、回転軸３に関して
はＢ２０，のような封止剤で封止する構造とすることも
可能であり，実用上何ら差し支えない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法に使用される単結晶成長装置の一
実施例を示す断面図， 第２図は本発明方法と従来法によりそれぞれ育成された
結晶の転位密度とキャリア濃度との関係を示すグラフ、 第３図（Ａ），（Ｂ）は、従来法と本発明方法によりそ
れぞれ育成された結晶のウェーハ面内での転位密度分布
を示すＥＰＤマップである。 １・・・・高圧容器、２・・・・るつぼ、３・・・・回
転軸、５・・・・引上げ軸、６，８・・・・半密閉型容
器、７・・・・ヒータ、６ａ．８ａ・・・・円筒部、６
　ｂ，１　０・・・・蒸気補給手段（リザーバ）。 第 図 ７−ヒーク ９ａ−Ｆ”ｌず郷 第 図 ＋Ａ） （Ｂ） ＝ ５ｍｍ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）るつぼ内に原料と添加物および封止剤を入れてヒ
   ータにより加熱、融解させ、原料融液表面を液体封止剤
   で覆った状態で種結晶を接触させてこれを徐々に引き上
   げることによりイオウもしくは亜鉛を含むＩｎＰ単結晶
   を育成するにあたり、上記るつぼの周囲を、少なくとも
   結晶引上げ軸が貫通する部位に上記引上げ軸と嵌合する
   円筒部が形成されてなる半密閉型容器で覆うとともに、
   上記半密閉型容器には、引上げ軸の隙間から流出する揮
   発性元素の蒸気の減少分を補給する蒸気補給手段を接続
   し、該蒸気補給手段によって上記半密閉型容器内に０．
   ０１ａｔｍ以上４ａｔｍ以下のリン蒸気圧を加え、かつ
   液体封止剤の鉛直方向温度勾配を５０℃／ｃｍ以上９０
   ℃／ｃｍ以下に制御して結晶の引上げを行なうことを特
   徴とする単結晶成長方法。