JPH03295889A - 半導体単結晶およびその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は均質な半導体単結晶およびその成長方法に係わ
り、特に結晶成長中のマクロステップの発生を抑制する
ことによる、均一性に優れた品質の半導体単結晶にかか
わるものである。

［従来の技術］ 半導体単結晶は各種電子デバイスの基礎材料として重用
され、集積回路や発光素子は半導体単結晶基板の上にさ
らに各種の単結晶薄膜を堆積させて様々な機能を発揮さ
せている。これら単結晶は種結晶や単結晶基板を元にし
て各種の結晶成長法て造られている。たとえば単結晶イ
ンゴットは原料融液からチョクラルスキー法（ＣＺ法）
等の融液成長法て造られ、単結晶薄膜は液相成長法（Ｌ
ＰＥ法）等の溶液成長法によって造られる。

融液成長や溶液成長させた半導体結晶表面には、一般に
マクロステップと呼ばれる波状の表面構造か形成される
。この発生メカニズムについては従来より研究か行なわ
れ、ステップ形状の近傍ては溶質の拡散現象によって、
界面過飽和度の分布か生しるためにマクロステップか形
成され、形成されたマクロステップは結晶成長の異方性
と　Ｇｉｂｂｓ−Ｔｈｏ■ｓｏｎ効果により定常的な形
に維持されることか分かっている。即ち、マクロステッ
プは成長力イネティックスと形態不安定性による極めて
自然な現象であり、従来の結晶成長方法てはその発生を
抑制できなかった。

［発明か解決しようとする課題］ マクロステップは微視的には第２図に示すような形状を
している。第２図において折れ線ａｂの上部３４か融液
（または溶液）部てあり、折れ線ａｂの下部３３か成長
結晶部である。折れ線ａｂは固液界面であり、上面部２
１と下面部２３をトレッド、段部２２をライザーと呼ぶ
、結晶成長過程においてマクロステップはこの形を保っ
たまま第２図において上方に向ワて成長するわけである
か、ライザ一部はトレッド部に比べて原子ステップ密度
か大きいため、原子ステップの水平移動速度はトレッド
部のほうかライザ一部に比べて著しく大きい。

そのためたとえば偏析係数か１よりも小さい不純物原子
の場合、トレッド部ては吐き出される余裕がなく結晶内
に取り込まれるため、トレ・ント部かライザ一部より高
い不純物濃度となる。また偏析係数かｌよりも大きい場
合にはその逆にトレッド部て不純物濃度か低くなる。従
って、ライザ一部の結晶成長の軌跡にしたかって不純物
の低い（あるいは高い）領域か形成される。これは結晶
断面の観察の際、第２図の２４．２６のトレ・ント部か
ら成長した結晶部分と２５のライザ一部から成長した部
分の結晶格子か異なることから帯状（あるいは縞状）に
見える。この部分は対流によるゆらぎに起因する第１種
ストリエーションと区別して、第２種ストリエーション
と呼ばれるものである。つまり、マクロステップか存在
するかぎり原理的に結晶成長時に取込まれる不純物の濃
度か結晶内てはばらつくことになり、不純物の濃度分布
である第２種ストリエーションか生ずるわけである。そ
してこの不純物濃度の分布は、たとえば不純物か発光デ
バイスにおける発光中心となるものであるならば、発光
強度や色調のばらつきの原因となり、また不純物か電子
デバイスにおけるトナーやアクセプターとなるものてあ
れば、電気特性のばらつきの原因となる。したかって均
一性を高め結晶性を向上させるためには、マクロステッ
プの発生を抑制することか肝要である。

［課題を解決するための手段］ われわれはこの問題を解決するために、結晶成長理論に
立ち帰って観察した結果、結晶成長界面に結晶側より溶
液（融液）側が高くなるような温度勾配を付け、温度か
異なることによる飽和溶解度の差によってマクロステッ
プ近傍の界面過飽和度の分布を打消すことにより、マク
ロステップの発生が抑制できると考え、実験により検証
した。

我々はこの理論を検証するために次の実験をした。

地球上では重力の影響により溶液（融液）の対流か起こ
りやすいため、本発明の目的を果たす実験を行なうこと
か難しいと予想し、宇宙空間の微小重力下て実験を行な
った。

結晶成長方法はＴ　ＨＭ　（ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｈｅ
ａｔｅｒｍｅｔｈｏｄ　）を用いた。第３図にその装置
を示す。

図において加熱部は楕円形の鏡３１と、その焦点の一つ
に置かれた赤外線ランプ３２により構成され、もう一方
の焦点には試料となる半導体単結晶３３〜３５を配置す
る。試料は棒状の形をし、装置の中実軸方向に置かれ軸
方向の移動及回転か可能な構造となっている。ランプに
よる加熱を行なった場合の中実軸方向の温度分布を第４
図に示す。楕円の焦点距離を調節することにより、この
図のように融液部３４を最高温度として軸方向に温度分
布を付けることか可能てあり、それにより結晶成長界面
近傍に温度差を設けることかできるようになっている。

結晶成長実験の手順は以下のとおりである。

半導体結晶はＩｎＰを用いた。ランプて加熱した状態を
第３図に示す。図中て３３はシートとなるＩｎＰ単結晶
、３４は（Ｉｎ＋Ｐ）の融液、３５はソースとなる　ｌ
ｎＰ単結晶である。この実験てはソース単結晶を一旦溶
かした後再結晶させることを試みた。

このとき（Ｉｎ＋Ｐ）融液３４の部分は最高温度７００
　’Ｃに保たれ、この融液にｌｎＰ単結晶か接し平衡状
態になっている。この状態てシード３３〜ソース３５の
全体を矢印方向３６に移動させ、さらにシート単結晶３
３は４回／分の程度の低速て回転させる。このとき融液
３４のソース結晶３５側てはＩｎＰか融液中に溶解し、
逆にシート結晶３３側ては　ＩｎＰかシート単結晶３３
上に成長する。シード単結晶３３を回転させるのは、後
述するように第１種のストリエーションにより正確な結
晶成長速度を得るためである。

以上の実験を炉の設定温度を変えて結晶成長界面の温度
勾配を変え、結晶の移動速度を変えた条件で行ない、結
果を比較した。

このようにして作成したＩｎＰ単結晶の縦方向の断面の
エツチング後の模式図を第５図に示す。第５図ては細か
い周期の第１種ストリエーション４１か見られる。これ
は微小な成長条件の揺らぎに起因するものてあり、ｌ木
かシート結晶の１回転に対応している。そのためこの第
１種ストリエーションは結晶成長時の結晶表面状態を表
わしている。

また、結晶は一定速度て回転しているため、このストリ
エーションの間隔を測定することにより、結晶成長速度
を正確に知ることかてきる。

第５図のＡの部分は結晶成長速度の早い部分であり、第
１種ストリエーションの間隔は広い、この第１種ストリ
エーションをたどればわかるようにマクロステップ４２
か存在し、そのライザ一部の軌跡には第２種のストリエ
ーション４３か見られ、不純物の濃度に分布かあること
を示している。しかるに、第５図のＢの部分は成長速度
か遅い部分であるが、この部分ては第１種ストリエーシ
ョン４１の間隔は狭くはほぼ直線てあり、マクロステッ
プ４２は見られない。ＡとＢの部分の境界を見ると結晶
成長速度が遅くなることにより、マクロステップ４２か
無くなっていき、第２種ストリエーション４３が消失し
ているのか分かる。このように結晶の断面のストリエー
ションを詳細に観察することによって、マクロステップ
の発生を完全に抑えることかてきる条件を求めることか
てきる。以上の実験を繰返し、マクロステップか発生し
ない結晶成長速度と温度勾配との関係を調査した。

この条件を結晶成長速度：Ｘ　　４ｍ／分（横軸）と温
度勾配　Ｙ　　’Ｃ／　ｃ　ｍ　（縦軸）との関係にま
とめて図示したのか第１図である。たとえばＩｎＰて融
液部の最高温度か７００°Ｃの場合１図中の２点（３Ｉ
Ｌｍ１分、　９℃／　ｃ　ｍ　）およびＱ点（０，３ｕ
−ｍ／分、ｌ″Ｃ／　ｃ　ｍ　）てはマクロステップは
発生しない。第１ＵＡの１２て示した　Ｙ≧Ｘ　の領域
ては７クロステツプは発生せず、第２種ストリエーショ
ンの発生を完全に抑制てきるといえる。

同一温度勾配てこれより結晶成長速度か早い第１図１３
で示した領域の場合には、マクロステップか発生する。

マクロステップの発生を完全に抑制するに、より好まし
くは　￥≧３Ｘ（第１図、直線１４の上側）を満足する
条件で成長させるのか好ましい。このことは結晶成長速
度か早い場合にマクロステップか安定的に存在するため
に、より大きな過飽和度差が必要であるという結晶成長
の理論と符合する。

本実験は宇宙空間の微小重力下て行なわれたものである
か、この理論は結晶成長速度と温度勾配のみに依存し１
重力の有無とは無関係であるから重力の働く地上ての結
晶成長の場合ても有効である。但し１本発明の効果を最
も有効に発揮させるためには対流を抑えた条件下て結晶
成長を行なうことか望ましい。そのためには例えば磁場
を印加すること等溶液や融液の対流を抑える方法を利用
することか望ましい。

本発明の方法て固液界面近傍の温度勾配を制御するには
、周囲に配置する発熱体の温度分布を調節したり、溶液
の量（Ｉｎメタルの高さ）を変えたりする手段を用いる
。本発明の単結晶を得るにはまづ使用する装置による温
度勾配を正確に測定した後、臨界成長速度よりもゆっく
りした成長速度を選択して結晶成長させれば良い。

また、今回はｌｎＰの融液結晶成長の例を示したか液相
エピタキシャル成長などの溶液結晶成長ても全く同し論
理により本発明の有効性か発揮される。また、　ＩｎＰ
以外の半導体結晶、たとえばＧａＰやＧａＡｓ等の他の
化合物半導体やＧａ、　Ｓｉ等の元素半導体ても同様に
成り立つことは当然である。

［作用］ 前述のとおり、マクロステップは第２図に示すような形
状をしている。このような形状が安定して存在するため
には、Ｇｉｂｂｓ−Ｔｈｏ■ｓｏｎ効果の帰結として、
凸形であるマクロステップの上端部のＡては界面過飽和
度か高く、凹部であるマクロステップの下端部Ｂては界
面過飽和度か低くなるように過飽和度差△Ｃが存在しな
ければならない。

通常の結晶成長ては拡散現象によりこのような界面過飽
和分布か存在しているため、マクロステップか安定的に
存在するわけである。

しかるに、溶解度は温度の関数てあり、温度が高くなる
ほど固相と液相が平楠となる飽和溶解度は大きくなる。

そこて結晶成長界面に温度勾配を設け、Ａ部をＢ部より
も高温にすることによってＡ部の飽和溶解度を上げ、上
記の過飽和差△Ｃを打消すことにより、マクロステップ
の形態が不安定となり、消滅させることがてきると考え
られる。

このようにマクロステップが存在てきず、従って、第２
種ストリエーションの発生か完全に抑えられる温度勾配
の境界値か存在すると予想した。

［実施例］ 第３図に示す装置を用い、　ＴＨＭ　（ｔｒａｖｅｌｉ
ｎｇｈｅａｔｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ　）により　ＩｎＰ単
結晶を製造した。

ソースとしてはＳをドープした第２種ストリエーション
を有する　ＩｎＰ単結晶を用いた。

融液部の最高温度は７００°Ｃとし、固液界面近傍の温
度勾配は　８℃／　ｃ　ｍ、結晶成長速度は　　２μｍ
１分とした。シート結晶は毎分４回転の割合いて回転さ
せた。このようにして得られたＩｎＰ単結晶から、厚さ
０．２−■のミラーウェー八を切り出し、表面を観察し
たか第２種ストリエーションの発生は認められなかった
。また、Ｓ不純物はウェーハ全面にわたって４ｘ　１０
１１０ｌ８’±１％以下のレベルて均一に分布しており
、通常のマクロステップ内（第２種ストリエーション部
）て３Ｘ１０１５Ｃ１１−３、マクロステップ外て４Ｘ
　１０１１０ｌ８”と２０〜３０％程度の差かあるのに
比較して、著しく均一性か向上した。

［効果］ マクロステップの発生を抑えることにより、不純物の不
均一な分布である第２種のストリエーションな完全に消
失させる結果、均一性に優れた半導体単結晶を得ること
かてきる０本発明により得られる半導体単結晶を用いて
半導体デバイスを作成すれば、その光特性や電気特性の
均一性を著しく向１させることかてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は結晶成長速度と温度勾配との関係を示す図、第
２図はマクロステップの微視的形状を示す図、第３図は
実施例て用いた装置の概念図、第４図は結晶成長界面近
傍の温度分布を示す図、第５図は本発明の単結晶の断面
を示す図である。 １１・・・・・ １２・・・・・ １３・・・・・ ２１・・・・・ ２２・・・・・ ２３・・・・・ マクロステップの発生を抑えること かてきる境界条件 マクロステップが発生しない領域 マクロステップが発生する領域 上面トレッド部 ライザ一部 下面トレッド部 ２４．２６・・・・・・・トレウト部より成長した結晶
２５・・・・・ライザ一部より成長した結晶てあり第２
種ストリエーションの部分 ３１・・・・・回転楕円面鏡 ３２・・・・・赤外線ランプ ３３・・・・・シート単結晶 ３４・・・・・溶液 ３５・・・・・ソース単結晶 ３６・・・・・結晶駆動方向 ３７・・・・・赤外線 ４１・・・・・第１種ストリエーションの部分４２・・
・拳・マクロステップ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）第２種ストリエーションを含まないことを特徴とす
   る半導体単結晶。 ２）融液または溶液より半導体単結を成長させるに際し
   て、結晶成長速度をＸ（μｍ／分）、結晶表面における
   温度勾配をＹ（℃／ｃｍ）としたときに、ＸとＹとの関
   係がＹ≧Ｘを満たす結晶成長速度と温度勾配の条件下で
   結晶成長を行なうことを特徴とする半導体単結晶の製造
   方法。 ３）結晶成長を微小重力下で行なうことを特徴とする請
   求項第２項記載の半導体単結の製造方法。 ４）結晶成長を磁場印加中で行なうことを特徴とする請
   求項第２項記載の半導体単結の製造方法。