JPH05254980A - 化合物半導体単結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】結晶の長尺化や大型化に伴って発生しやすくな
るリネージ欠陥の少ない良質の結晶を製造する。 【構成】電気炉内の均熱管の周囲に、有効内径φ１５０
ｍｍで結晶成長軸方向の全長約１．５ｍのスパイラル状
の抵抗加熱式ヒーターが、高温度側領域で結晶成長方向
において３ゾーンに分割され設けられている。覗き窓１
１に最も近接したヒーターゾーン１４が、発熱量の小さ
なヒーターゾーンとされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体単結晶の
製造方法および製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、化合物半導体単結晶は生産性向上
やウエハ上にデバイスを作成する際の生産性向上のた
め、長尺化および大型化が強く望まれている。従来から
知られているボート法による化合物半導体単結晶の製造
方法および製造装置としては、特公昭５３−５８６７
号、特公昭５６−３２２７２号、特公昭５９−３８１８
５号等がある。これらの従来例においては、一端に種結
晶を載置したボート状坩堝の中に化合物半導体原料を入
れて融液状にし、温度分布全体として融液側の温度が種
結晶側の温度よりも高くなるような、結晶成長軸方向に
沿った温度勾配を持たせている。

【０００３】結晶の固液界面部は垂直方向上面側の温度
が下面側より低くなるような温度勾配に設定され、原料
融液部は成長軸方向に所定の一様な温度分布で、種結晶
側から徐々に冷却することにより結晶を製造していくも
のであった。

【０００４】また、別の従来技術としては特開昭６４−
６５０９９号がある。この従来技術による方法は基本的
にゾーンメルト法であるため、結晶製造用の温度分布中
に急峻な温度ピークを実現し、結晶成長固液界面近傍の
みに融液状態を形成するという方法であり、結晶中の不
純物中濃度を均一にするためのものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】結晶の長尺化や大型化
に伴って、従来からの技術では結晶欠陥、特に強いリネ
ージ欠陥が入りやすくなり結晶の品質を落としていた。
このリネージ欠陥の原因は明確ではないが、一般的に固
液界面形状を適切な形状にすることで解決できると考え
られており、固液界面形状の制御には上述した従来例の
ように固液界面近傍の温度分布を制御することが重要で
ある。

【０００６】しかし、結晶が長尺、大型化するに伴っ
て、結晶育成時の坩堝中の原料融液の量が多くなり、融
液部で存在する熱対流が激しく複雑になる。従って、欠
陥の少ない結晶を成長させるうえで最も重要な部分と考
えられる固液界面部へ持ち込む熱量が大きく、温度分布
も不安定になってくる。

【０００７】前記従来技術では融液部分の温度制御の自
由度が限られており、融液の対流状態を意図的に制御す
ることが不可能である。また、融液対流の積極的制御が
固液界面形状の制御に重要であるという認識がなかっ
た。

【０００８】従って、従来技術では結晶の長尺化および
大型化に伴って固液界面形状を好適な状態に制御、保持
することが困難になり、上述したようなリネージ欠陥が
発生し、良質結晶を再現性良く製造できないという問題
点があった。

【０００９】一方、他の従来技術のゾーンメルト法では
結晶の大型化、長尺化によらず融液の量はほぼ一定に保
たれており問題ないが、高温度領域において急峻な温度
ピークを実現することは炉構造面での困難に加え、単結
晶を再現性よく得るための温度プロファイルを見いだす
ことが非常に困難であるという問題がある。なお、これ
らの問題点は、ボート法（水平ブリッジマン法）のみの
問題ではなく、垂直ブリッジマン法にも共通の問題点で
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の問題点
を解決すべくなされたものであり、第１の発明として、
結晶成長軸に沿って原料融液側が高温度領域で種結晶側
が低温度領域とされている温度分布を用い、結晶原料を
収容する坩堝と前記温度分布を相対的に移動させること
によって前記低温度領域を種結晶側から原料融液側に向
かって移動させ結晶を製造させる化合物半導体単結晶の
製造方法において、結晶成長軸方向に沿った温度分布が
高温度領域で温度の極小値を有する温度分布とされてい
る化合物半導体単結晶の製造方法を提供するものであ
る。

【００１１】第２の発明として、結晶成長軸に沿って原
料融液側が高温度領域で種結晶側が低温度領域とされて
いる温度分布を用い、結晶原料を収容する坩堝と前記温
度分布を相対的に移動させることによって前記低温度領
域を種結晶側から原料融液側に向かって移動させ結晶を
製造させるための化合物半導体単結晶の製造装置におい
て、前記高温度領域に相当するヒーターが結晶成長軸方
向において複数に分割され、前記高温度領域に相当する
複数のヒーターのうち結晶の固液界面に最も近い部分の
ヒーターが他のヒーターよりも発熱量が小さいことを特
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】本発明方法は、結晶成長軸に沿った温度分
布はそのままとしその温度分布中でボートを移動させる
水平ブリッジマン法（ＨＢ法）、垂直ブリッジマン法に
適用でき、またボートは一定位置で前記温度分布を移動
させるグラディエントフリーズ法（ＧＦ法）、垂直ＧＦ
法等にも適用できる。

【００１３】以下、本発明を水平ブリッジマン法（以下
ＨＢ法とする）に適用した実施例に従って説明するが、
本発明は垂直ブリッジマン法にも適用することができ
る。図１は本発明の温度分布を、ＨＢ法による３インチ
φ相当のＧａＡｓ単結晶成長に適用した場合を示す。

【００１４】図１において１は結晶成長軸方向の温度分
布、２は温度分布の極小値、３は結晶原料を収容する坩
堝としての石英製のボート、４は固液界面、５はＧａＡ
ｓ単結晶部分、６はＧａＡｓ融液部分、７は極小値２に
隣接した単結晶側の極大値、８は極小値２に隣接した融
液側の極大値である。

【００１５】結晶成長軸方向に沿った温度分布におい
て、極小値２とそれに隣接した単結晶側の極大値７との
温度差が２℃以上２０℃以下であり、前記極小値２とそ
れに隣接した融液側の極大値８との温度差が２℃以上の
ときが、リネージ欠陥を効果的に解消することができる
ので好ましい。

【００１６】前記温度の極小値２は、固液界面４から５
〜１５ｃｍ離れた部分に設定するのが好ましく、５ｃｍ
より固液界面４に近いと結晶が急成長してポリ化しやす
くなり、１５ｃｍより固液界面４から遠くなると大きな
融液対流が固液界面４の近くに存在することになりリネ
ージ欠陥が発生しやすい。また本発明においては、極小
値２周辺の温度勾配は０．１℃／ｃｍ以上で、種結晶側
の極大値および原料融液側の極大値周辺の温度勾配は
０．２〜２℃／ｃｍとしている。

【００１７】図２は本発明の温度分布を実現するための
製造装置であって、３インチφ相当のＧａＡｓ単結晶を
ＨＢ法で成長させる製造装置の１例の側断面図である。
図２において１１は結晶観察用覗窓、１２は高温側領
域、１３は低温度側領域、１４は発熱量の小さなヒータ
ーゾーン、１５は固液界面、１６はＧａＡｓ単結晶部、
１７はＧａＡｓ融液部である。

【００１８】図２において、発熱量の小さいヒーターゾ
ーン１４は、他のヒーターゾーンのヒーターより発熱体
を粗に巻く、または他のヒーターゾーンのヒーターより
その材質を発熱効率の悪い材質にする、または他のヒー
ターゾーンのヒーターよりも印加電力を小さくする等の
手段により実現することができる。

【００１９】図２に示した本発明の結晶製造装置の中
に、種結晶と原料を入れたボートを真空封入したアンプ
ルを挿入し、図２のヒーターゾーン１４の印加電力を他
のヒーターゾーンより小さくすることによって図１に示
した温度分布を設定し、シーディングの後結晶成長を行
う。なお、固液界面１５近傍では、従来技術のごとく所
定の温度分布になるよう制御することは言うまでもな
い。

【００２０】本発明方法および装置は、ＧａＡｓ、Ｉｎ
Ｐ等の３−５族化合物半導体単結晶、ＺｎＳｅ等の２−
６族化合物半導体単結晶の製造に用いることができる。

【００２１】

【作用】本発明により、結晶長、結晶径に影響されず、
固液界面形状を適正に保つことができ、大型および長尺
な結晶の成長を再現性良く行うことができる。

【００２２】本発明の作用は以下のように説明できる。
従来例の温度分布では、炉内の均熱管に接触したボート
底面からのＧａＡｓ融液のわきあがり対流に、融液部と
固液界面部の温度差による対流が加わり、融液部から固
液界面部へ物質移動を伴った熱伝達が盛んに行われてい
ると考えられる。この傾向は、ボート径が大きい大型結
晶や、融液部分の長い長尺結晶では一層顕著になる。そ
の結果、欠陥の少ない結晶を成長させるのに最も重要部
分である固液界面部への持ち込み熱量が増加し、固液界
面部の温度分布も複雑になる。従来技術による固液界面
近傍の温度分布の制御のみでは、固液界面形状の制御が
困難になり、リネージ欠陥の発生も抑制できないと推察
される。

【００２３】従来技術の温度分布を用いてボート内の融
液対流の様子をコンピュータシミュレーションしたのが
図３であり、上記の推察がほぼ間違いないと考えられ
る。図３中２１は融液対流の速度ベクトルで、２２はボ
ートである。

【００２４】一方、本発明において図２のごとくヒータ
ーゾーン４の発熱量を両側のヒーターゾーンの発熱量よ
り低くすることにより、結晶成長軸方向に図１に示すよ
うな温度の極小値２を実現することができる。前記極小
値２部を設けることによって、極小値２よりボートのテ
ール部側（種結晶と反対側）に存在する融液の対流と、
極小値２より固液界面部側に存在する融液の対流とを分
離することが可能であると推察される。

【００２５】その結果、融液部全体からの全ての熱流が
固液界面部に直接流れ込むのを防ぎ、従来技術による固
液界面近傍の温度分布制御を用いても、効果的に固液界
面形状を適正に制御し保持することができると考えられ
る。

【００２６】本発明の温度プロファイルを用いてボート
内のＧａＡｓ融液中の対流状態をコンピュータシミュレ
ーションした結果を図４に示す。融液の対流は温度の極
小値をはさんで二分されており、上記の推察はほぼ間違
いないと考えられる。

【００２７】本発明において、前記融液対流の速度ベク
トルの速度の最大値は０．５ｍｍ／ｓｅｃ〜５０ｍｍ／
ｓｅｃとするのがよく、０．５ｍｍ／ｓｅｃより小さい
とドーパントのＣｒが析出しやすくなるので不都合であ
り、５０ｍｍ／ｓｅｃより大きいとリネージ欠陥が多発
するので好ましくない。

【００２８】

【実施例】

（実施例）本発明の結晶製造装置の１実施例を図２に示
す。電気炉内の均熱管の周囲に、有効内径φ１５０ｍｍ
で結晶成長軸方向の全長約１．５ｍのスパイラル状の抵
抗加熱式ヒーターが、結晶観察用の覗き窓１１より高温
度側で結晶成長方向において３ゾーンに分割され設けら
れている。前記３ゾーンのヒーターのうち覗き窓１１に
最も近接したヒーターゾーン１４が、結晶成長方向で１
００ｍｍ長であり、発熱量の小さなヒーターゾーンとさ
れている。図２において１２は高温度側領域、１３は低
温度側領域、１５はボート内の固液界面、１６はＧａＡ
ｓ単結晶部、１７はＧａＡｓ融液部である。

【００２９】このとき上記ヒーターゾーン１４の出力を
調整し、結晶成長軸方向に沿った温度分布において固液
界面から融液側に温度の極小値を設け、前記極小値と固
液界面側の極大値との差が１０℃で、融液側の極大値と
の差が１５℃となるような温度分布を設定した。

【００３０】石英製のアンプル内の一端に、種結晶と、
４ｋｇの原料Ｇａと、ドーパントとしてのＣｒを載置し
た３インチφ相当の石英製のボートを収容し、前記アン
プル内の他端に原料Ｇａとストイキオメトリックな量お
よびそれに加えてアンプル内を１気圧に保持するのに必
要な量のＡｓとを入れ、これらを拡散バリアで仕切り、
真空封入する。

【００３１】前記アンプルを上記本発明の電気炉内で、
石英製のボート部分をＧａＡｓの融点温度前後に昇温
し、Ａｓ載置側のアンプル端の温度を６１０℃前後に保
持し、ＧａＡｓ融液を作成した後、種結晶とＧａＡｓ融
液をシーディングした。その後、上記温度分布を持った
電気炉を結晶に対して数ｍｍ／ｈの速度で移動させ、種
結晶側から単結晶を育成した。この結晶育成を５回行っ
たが、結晶のポリ化やリネージ欠陥の発生等の結晶不良
はなかった。育成した結晶は３インチφ相当、全長６０
０ｍｍでその転位密度（ＥＰＤ）は平均値で全て２００
０以下、ＥＰＤの最大値でも５０００以下であった。

【００３２】（比較例１）上記実施例と同様の工程で、
ＧａＡｓ融液側の温度の極小値を無くし、結晶軸方向に
一様な従来技術の温度分布の場合、育成結晶においては
種結晶から結晶側数ｃｍよりリネージ欠陥の発生が見ら
れた。さらに結晶成長が進むにつれてポリ化が起こり、
数回のメルトバックにより再成長を試みたが単結晶は得
られなかった。同様の条件で５回結晶の育成を行ったと
ころ、４回で同様の不良が発生し、単結晶ができたのは
わずかに１回であった。得られた１本の単結晶の平均Ｅ
ＰＤの値は５０００前後でありリネージ欠陥がみられ
た。

【００３３】（比較例２）上記実施例と同様の工程で、
ＧａＡｓ融液側に温度の極小値を設け、この極小値と固
液界面側の極大値との差が２２℃で、融液側の極大値と
の差が４℃となるような温度分布を作成し、２回結晶育
成を行った。得られた結晶は１回は単結晶であったが、
結晶内全体にわたってドーパントの析出が点在してい
た。これは、融液の対流が静止状態に近く、析出が起こ
り易い状態であったと推察できる。この結晶からは析出
欠陥のため製品となるウエハは取れなかった。また、他
の１回では、結晶製造中に固液界面以外の融液中から結
晶核の成長が始まり、それ以降ポリ化が一気に起こり、
単結晶の製造は続行不能となった。

【００３４】

【発明の効果】本発明は、ゾーンメルト法等の装置的に
複雑で温度分布の制御の困難な技術を用いず、従来の水
平ブリッジマン法あるいは垂直ブリッジマン法におい
て、融液部分の固液界面に近接した部分に温度の低い極
小値を設けることで、結晶長が長くなったり結晶径が大
きくなることによる原料融液の対流状態の影響と推察さ
れるリネージ欠陥の発生を抑制できる。また、比較的簡
単な構造のヒーターによって容易に結晶を製造すること
ができる。これにより、大型あるいは長尺な化合物半導
体単結晶を安価に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度分布によって化合物半導体単結晶
を製造する一実施例を示す本発明の温度分布およびボー
トの側面図。

【図２】本発明の化合物半導体単結晶製造装置の一実施
例を示す側面図。

【図３】従来方法によるボート内融液対流のコンピュー
タシミュレーションの一例を示すボート内の側断面図。

【図４】本発明方法によるボート内融液対流のコンピュ
ータシミュレーションの一例を示すボート内の側断面
図。

【符号の説明】

１：結晶軸方向に沿った温度分布 ２：温度の極小値 ３：石英製のボート ４：固液界面 ５：ＧａＡｓ単結晶部 ６：ＧａＡｓ融液部 ７：固液界面側の温度の極大値 ８：融液側の温度の極大値 １１：結晶観察用覗窓 １２：高温度側領域 １３：低温度側領域 １４：発熱量の小さなヒーターゾーン １５：固液界面 １６：ＧａＡｓ単結晶部 １７：ＧａＡｓ融液部 ２１：融液対流の速度ベクトル ２２：ボート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 織田 健嗣 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 (72)発明者 斉藤 恒洋 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 (72)発明者 西浜 二郎 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結晶成長軸に沿って原料融液側が高温度領
   域で種結晶側が低温度領域とされている温度分布を用
   い、結晶原料を収容する坩堝と前記温度分布を相対的に
   移動させることによって前記低温度領域を種結晶側から
   原料融液側に向かって移動させ結晶を製造させる化合物
   半導体単結晶の製造方法において、結晶成長軸方向に沿
   った温度分布が高温度領域で温度の極小値を有する温度
   分布とされている化合物半導体単結晶の製造方法。
2. 【請求項２】結晶成長軸に沿って原料融液側が高温度領
   域で種結晶側が低温度領域とされている温度分布を用
   い、結晶原料を収容する坩堝と前記温度分布を相対的に
   移動させることによって前記低温度領域を種結晶側から
   原料融液側に向かって移動させ結晶を製造させるための
   化合物半導体単結晶の製造装置において、前記高温度領
   域に相当するヒーターが結晶成長軸方向において複数に
   分割され、前記高温度領域に相当する複数のヒーターの
   うち結晶の固液界面に最も近い部分のヒーターが他のヒ
   ーターよりも発熱量が小さいことを特徴とする化合物半
   導体単結晶の製造装置。