JPH05246791A - 化合物半導体単結晶の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】化合物半導体単結晶をボート法により製造する
際に、双晶欠陥の発生を抑制し、歩留まり、スループッ
トを向上させて製造できるようにする。 【構成】種結晶のボート長手方向に垂直な断面の面積と
ほぼ等しいかあるいはより小さな断面積を有し、種結晶
から増径部である肩部に至るまでの結晶部である首部の
長さを５ｍｍ以下とし単結晶を成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボート法による化合物
半導体単結晶の製造方法及び製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年電子工業の分野において、結晶欠陥
の少ないＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどの化合物半導
体単結晶を安価に製造する方法が種々研究されている。

【０００３】化合物半導体単結晶の製造方法としては、
ボート法と引上げ法がよく知られているが、このうちボ
ート法は引上げ法に比べて温度勾配が小さく、ストイキ
オメトリー制御が容易であるため、結晶欠陥の少ない単
結晶を製造することができる利点がある。

【０００４】ボート法には、水平ブリッジマン法（ＨＢ
法）と温度傾斜法（ＧＦ法）とがあるが、いずれも一端
に種結晶を置いた長尺なボートに原料融液を入れ、ボー
トをアンプル管に封入し、このアンプル管を長手方向に
温度勾配を設けた横形炉内に入れ、種結晶の側から結晶
固化して単結晶を製造する方法である。

【０００５】化合物半導体単結晶をボート法により製造
する場合には、製造すべき化合物半導体単結晶の直胴部
の長手方向に垂直な断面の面積に対して２〜３割程度か
又はそれ以下の面積の断面を有する種結晶を用い、その
種結晶から結晶径を徐々に太らせて単結晶の直胴部の目
標径に至らせるための肩部を設けて行うのが一般的であ
る。

【０００６】従来の結晶を育成中のボート２の側断面図
を図２に、種結晶から肩部にかけての結晶長手方向断面
を図３に示す。種結晶１の結晶成長側の端部から肩部に
至るまでの間に、種結晶１の径とほぼ同じ径を有する結
晶の首部が１０〜４０ｍｍ程度存在することで、種結晶
１に原料融液を接触させる種付け工程が安定になされて
いた。このように種付け工程を行った後に、肩部で結晶
径を太らせる方法で単結晶が製造されていた。図２にお
いて符号２はボート、３は原料融液、４は育成中の単結
晶を示し、図３において５は結晶内晶癖（ファセッ
ト）、６は成長縞を示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来単
結晶を製造する場合、種結晶から種結晶とほぼ同じ径の
首部を形成し、その後結晶径を徐々に太らせて単結晶の
直胴部を目標の径に至らせるのが一般的であった。しか
し、この首部形成時に重大な結晶欠陥である双晶欠陥が
発生しやすく、双晶欠陥が発生すると歩留り及びスルー
プットが大きく低下してしまうという問題があった。特
に、種結晶の＜１００＞方向と等価な一つの方向をボー
ト長手方向とほぼ平行にした場合には、この首部からの
双晶欠陥が多発し重大な問題となっていた。

【０００８】表１には、ボート長手方向に種結晶方位＜
１００＞で結晶成長を１０回行った場合の首部、肩部、
直胴部での双晶欠陥の発生頻度を示した。表１から分か
るように、双晶欠陥は、首部に集中していることが分か
る。また、典型的な結晶の首部から肩部にかけての長手
方向垂直断面のエッチング後のスケッチを図３に示し
た。この図から、他の部分とは結晶成長メカニズムの異
なる晶癖（ファセット）５が、首部に集中しているのが
分かる。このファセットが双晶欠陥の起点となり易いた
めに、首部から双晶欠陥が多発していると推測できる。

【０００９】

【表１】

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は歩留り、スループットを大きく低下さ
せてしまう双晶欠陥の発生頻度を低減する化合物半導体
単結晶製造方法及びその製造装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、化合物半導体単結晶をボート法により製
造する方法において、種結晶から増径部である肩部に至
るまでの結晶の首部をほとんど形成することなく、種結
晶から前記肩部を直接成長させることを特徴とする化合
物半導体単結晶の製造方法、及び、化合物半導体単結晶
をボート法により製造する装置において、種結晶の原料
融液と接する側の種結晶端位置が、ボートの種結晶設置
部分から肩部への変曲点からみて種結晶設置部側にある
場合の前記種結晶端位置と変曲点間距離Ｌを＋で表し、
前記種結晶端位置が変曲点からみて肩部側へ突き出され
ている場合の前記種結晶端位置と変曲点間距離Ｌを−で
表すとすれば、−１５ｍｍ≦Ｌ≦＋５ｍｍとなるよう種
結晶が設置されていることを特徴とする化合物半導体単
結晶の製造装置を提供するものである。

【００１２】以下、本発明を更に詳細に説明する。本発
明は、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどの化合物
半導体単結晶を、公知のボート法により製造する。ボー
ト法は、一端に種結晶を置いた長尺なボートに原料融液
を入れ、そのボートをアンプル管に封入し、このアンプ
ル管を長手方向に温度勾配を設けた横形炉内に入れ、種
結晶の側から結晶固化して単結晶を製造する方法であ
る。前述したように、ボート法には水平ブリッジマン法
（ＨＢ法）と、温度傾斜法（ＧＦ法）とがあるが、いず
れの方法によってもよい。また、使用するアンプル管、
横形炉、原料融液等は従来の方法において用いられるも
のをそのまま用いることができる。

【００１３】本発明において首部を５ｍｍ以下とする
か、あるいは首部をなくすようにする。種結晶から直接
増径部である肩部を作成する方法としては、結晶育成用
ボートの、種結晶外径とほぼ同じ径を有する種結晶設置
部に種結晶を設置する際に、種結晶の結晶成長側の種結
晶端位置を、ボートの種結晶設置部分から増径部である
肩部への変曲点から種結晶側へ５ｍｍ以内に設置するこ
とで実現できる。

【００１４】好ましくは、前記種結晶端位置を前記変曲
点とほぼ同じ位置に設置するか、あるいは前記変曲点よ
りさらに肩部側へ突き出すことが、双晶欠陥の発生し易
い首部をより短くできるので好ましい。ここで、前記種
結晶端位置が前記変曲点からみて種結晶設置部側にある
場合の種結晶端位置と変曲点間距離Ｌを＋で表し、種結
晶端位置が変曲点からみて肩部側へ突き出されている場
合の種結晶端位置と変曲点間距離Ｌを−で表すとすれ
ば、Ｌは−１５≦Ｌ≦＋５の範囲が好ましい。Ｌが＋５
より大きいと首部が長くなり双晶欠陥が発生しやすくな
る点で不都合であり、Ｌが−１５より小さい（より肩部
側へ突き出されている）と種付け工程が難しくなる点で
好ましくない。

【００１５】また、原料融液と種結晶を接触させる種付
け工程において、種結晶の溶かし込み量をできるだけ小
さくすることが望ましい。さらに、前記種結晶端位置を
前記ボート変曲点より肩部側に突き出す場合には、図１
のように種結晶の底部のみを融液と接触させる種付け方
法を採用することにより、種結晶から直接肩部形成を行
うことができるためにより好ましい。

【００１６】

【作用】表１に示したように結晶の首部は双晶欠陥が発
生しやすい。これは、図３のように首部で双晶欠陥の起
点となりうる晶癖（ファセット）５が多く発生している
ためと考えられる。この首部でファセットが多く発生す
る原因については、次のように考えられる。首部成長時
に成長中の結晶と接触している高温の融液の量が、他の
部分の成長時と比べ極端に小さい。このため、固液界面
付近の温度勾配が他の部分の成長時と比べ小さくなり過
冷却が大きくなることにより、ファセットが発生し易い
と考えられる。

【００１７】本発明において、上記のように双晶欠陥の
発生し易い結晶の首部を短くするか、あるいは首部を形
成することなく種結晶から直接肩部を成長させることに
より、双晶欠陥の発生を抑制することができる。

【００１８】

【実施例】

（実施例）以下、ＧａＡｓの単結晶を育成する場合の実
施例について説明する。図１には、ボート２に種結晶１
と原料融液３とを入れ、種付け工程直後の状態が示され
ている。結晶育成用のボート２の、種結晶外径とほぼ同
じ径を有する種結晶設置部に種結晶を設置した位置は、
図のようにボートの種結晶設置部分から増径部である肩
部への変曲点より肩部側へ５ｍｍ迫り出した位置とし
た。

【００１９】ＧａＡｓ種結晶１の＜１００＞方向とボー
ト長手方向が略平行になるように設置する。ボート２の
中にＧａ２１００ｇを入れ、反応容器の他端にＡｓを２
３００ｇ入れ、反応容器内を真空状態に減圧し封じき
る。次に反応容器を結晶育成炉にいれ、反応容器内のＡ
ｓを６００℃に加熱し反応容器内のＡｓ蒸気圧を１ａｔ
ｍに維持し、反応容器内ボート部を１２００℃とし、Ｇ
ａとＡｓ蒸気を反応させＧａＡｓを合成する。その後、
さらに昇温し種結晶温度を１２３８℃、ＧａＡｓ融液中
の温度勾配を０．５℃／ｃｍ程度にし、種結晶とＧａＡ
ｓ融液を接触させる。

【００２０】このとき種結晶の底部のみを融液と接触さ
せる種付け方法を採用することにより、種結晶から直接
肩部形成を行うことができる。図１には種付け直後のボ
ート内断面図を示した。また、種結晶がとけ込まないよ
うに、種付け温度の調整を行う。その後、融液の温度を
徐々に下げて冷却し、首部のない結晶の育成を行う。完
全に固化後さらに温度を室温まで下げて、結晶を取り出
すことによりＧａＡｓ単結晶４１５０ｇを得ることがで
きる。双晶欠陥は発生することなく、安定して結晶を得
ることができた。

【００２１】（比較例）従来の首部を形成する方法で、
結晶を成長させた場合について説明する。図２には、結
晶育成中の状態が示されている。図中の符号は、図１と
同じものについては同様の符号を付している。１は種結
晶、２はボート、３は原料融液、４は育成中の結晶を示
している。結晶育成用ボートの、種結晶外径とほぼ同じ
径を有する種結晶設置部に種結晶を設置した位置は、図
２のようにボートの種結晶設置部分から増径部である肩
部への変曲点から３０ｍｍの位置とした。以下、実施例
と同様の方法で原料の合成を行い、原料融液を種結晶と
接触させる際には、種結晶と同じ径の首部に原料融液を
流し込むことにより種付けを行った。結晶の成長は実施
例と同様に行った。

【００２２】比較例における結晶育成中には、首部より
双晶欠陥が発生したため、育成工程中に結晶を溶かし込
み再度成長を行うメルトバックを５回行ったが、双晶欠
陥のない単結晶を得ることはできなかった。

【００２３】ボート長手方向に種結晶方位＜１００＞で
結晶成長を行った場合において、従来方法である首部が
３０ｍｍの双晶欠陥の発生頻度は１０回の結晶育成中９
回で発生本数も３３本と双晶が多発した。これに対し
て、本発明の首部の長さが５ｍｍ以下で同様の育成を行
った場合の双晶欠陥の発生頻度は１１回中２回で、発生
本数も３本と双晶欠陥発生の抑制に本発明が大きな効果
のあることが確かめられた。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単結晶成長に致命的な欠陥である双晶欠陥の発生頻度を
大きく低減することができる。このことにより、歩留り
及びスループットの向上が可能になる。また、育成すべ
き化合物半導体が閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するＡＢ型
化合物半導体であり、種結晶の＜１００＞方向に等価な
一つの方向がボート長手方向にほぼ平行である場合に
は、非常に双晶欠陥が入りやすいが、本発明は特にこの
成長方位で育成する際に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の化合物半導体単結晶の製造方法の一実
施例を示し、原料融液を種結晶に接触させる種付けを行
った直後のボート側断面図。

【図２】従来方法により結晶を育成中のボート側断面
図。

【図３】従来方法で育成した結晶の、種結晶から肩部に
かけての結晶長手方向断面をエッチング後のスケッチ。

【符号の説明】

１ 種結晶 ２ ボート ３ 原料融液 ４ 育成中の単結晶 ５ 結晶内晶癖（ファセット） ６ 成長縞

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 一郎 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社中央研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化合物半導体単結晶をボート法により製造
   する方法において、種結晶から増径部である肩部に至る
   までの結晶の首部をほとんど形成することなく、種結晶
   から前記肩部を直接成長させることを特徴とする化合物
   半導体単結晶の製造方法。
2. 【請求項２】育成すべき化合物半導体単結晶が閃亜鉛鉱
   型の結晶構造を有するＡＢ型化合物半導体単結晶であ
   り、種結晶の＜１００＞方向に等価な一つの方向を、ボ
   ート長手方向にほぼ平行とした請求項１の化合物半導体
   単結晶の製造方法。
3. 【請求項３】化合物半導体単結晶をボート法により製造
   する装置において、種結晶の原料融液と接する側の種結
   晶端位置が、ボートの種結晶設置部分から肩部への変曲
   点からみて種結晶設置部側にある場合の前記種結晶端位
   置と変曲点間距離Ｌを＋で表し、前記種結晶端位置が変
   曲点からみて肩部側へ突き出されている場合の前記種結
   晶端位置と変曲点間距離Ｌを−で表すとすれば、−１５
   ｍｍ≦Ｌ≦＋５ｍｍとなるよう種結晶が設置されている
   ことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。