JPS62162690A - ＧａＡｓ単結晶の製造方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、液体封止引上げ法によるＧａＡｓ単結晶の製
造方法に係わり、特に磁界を印加して単結晶を成長形成
するＧａＡｓ単結晶の製造方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、半導体工業で用いられるＩ−Ｖ族化合物半導体単
結晶基板は、主に原料融液から引上げ法（Ｃ２法）、ま
九は液体封止引上げ法（ＬｇＣ法）により製造され九イ
ンゴットｔ−切出して作成されている。そして近年の半
導体集積回路の高密度化及び高集積化に伴い、基板とな
るｍ−Ｖ族化合物半導体単結晶の高均一化が強く要望さ
れている。

しかしながら、引上げ法、ま念は液体封止引上げ法によ
って作成された単結晶基板は、高密度集積回路を作製す
るのに十分な均一性を有していない。即ち、引上げ法、
マ念は液体封止引上げ法では坩堝内に収容された原料融
液内に激しい熱対流があり、この融液と作成結晶との界
面は非常に不安定になっている。このため１作成結晶か
ら切出し次基板は均一性が低く、従ってこの基板を用い
て高密度集積回路を歩留り良く作製することは困難であ
った。

一方、上記問題を解決する方法として最近、原料融液に
水平方向の磁界全印加することによシ、原料融液の熱対
流を抑制して均一性の高い単結晶を製造する方法が注目
されている。しかし、この方法では、印加磁界の適正範
囲が狭く熱対流を効果的に抑えることは極めて困難であ
った。

また、ＧａＡｓ単結晶では結晶中の炭素が基板の電気的
特性に影響を与え特に炭素濃度がＩ　Ｘ　１０　”ａｔ
ｍｓ／−以上になると、デバイスプロセスの熱処理後に
、熱変成を起こして基板の比抵抗が１０ａ画以下に下が
ってしまう、磁界印加引上げ結晶中の炭素濃度を再現性
良＜　Ｉ　Ｘ　１０”　ａｔｍｓ／　ｃＩＩ以下に抑え
、かつ結晶頭部と尾部での炭素濃度差を小さくして基板
面内および基板間でデバイス特性を均一にすることは極
めて困難であり念。

〔発明の目的〕

本発明は上述の問題点を解決するためになされたもので
あり、その目的とするところは、原料融液中の熱対流を
効果的に抑制することができ、かつ基板面内および基板
間でデバイス特性の均一性が高いＧａＡｓ単結晶全容易
に製造することのできるＧａＡｓ単結晶の製造方法を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、磁界印加に対する熱振動特性の知見と
、単結晶引上げ炉内の圧力に対する結晶中の炭素濃度の
知見に基づき、熱振動が充分小さく、かつ磁界印加強度
の適正範囲が充分広い範囲の磁界を印加し、かつ単結晶
引上げ時の炉内圧力を、炭素濃度がｌＸｌ０　　ａｔｍ
ｓ／−以下で結晶頭部と尾部の濃度差が小さくなる範囲
に設定することにある。

即ち本発明は、坩堝内に収容された原料融液に水平方向
の磁界を印加すると共に、この原料融液ｔｔｃｓ結晶を
接触させ、核種結晶を鉛直方向に引上げることにより単
結晶を製造する単結晶の製造方法において、磁界強度の
変化に伴う熱振動特性に関し、磁界強度が増大する方向
に熱振動の大きいＭｌの領域、熱振動が小さくなる第２
の領域、熱振動が再び大きくなる第３の領域、熱振動が
再び小さくなる第４の領域とするとき、前記原料融液に
印加する磁界の強度を上記第４の領域となる大きさに設
定するようにし、炉内圧力に関しては。

引上がっ念結晶中の炭素濃度が再現性良く１×１０１０
１６ａｔ／ｃｄ以下であシ、かつ結晶頭部と尾部での炭
素濃度差が最小になる５　１ｔｍ以上ｓ１５ａｔｍ以下
に設定して単結晶の引上げを行なう方法である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、原料融液内の熱振動の小さい安定した
領域で、低炭素濃度の単結晶を引上げることができるの
で、均一性の高い高品質の単結晶全製造することができ
る。また、前記第２の領域で引上げを行なう方法と異な
シ、印加磁界の適正範囲が広いので、磁界の安定性の要
求も厳密でなく、単結晶製造を容易に行なうことができ
る。

〔発明の実施例〕

まず、実施例を説明する前に１本発明の基本原理につい
て説明する。

本発明者等は、印加磁界強度に対する原料融液内の熱振
動の変化を見切に調べ九結果、第１図に示す如き特性を
得意、ここで、横棚は時間、縦軸は融液温度を示し、さ
らに↑は概略磁界強度を示す、また５図中太線で示すの
は原料融液を収容した坩堝内の中央部の温度であり、細
線で示すのは周辺部の温度である。なお、原料融液とし
てはＧａＡｓを用いた。また温度測定は第２図に示す如
く坩堝２１の中央部及び中央部から３５ｍ離れた点に、
それぞれ温度センサとしての熱電対２４（２４ａ、２４
ｂ）’！＆石英管２５　（２５ａ、２５ｂ）でカバーし
たものを液体封止剤２３の下の原料融液２２内に挿入し
て行った。

第１図に示す特性から判るように、磁界強度が小さい領
域では熱振動が大きく、磁界強度が１２０００ｅに近付
くにつれて、熱振動は小さくなる。磁界強度が１２０Ｑ
Ｏｅ前後で熱振動は最小となり、磁界強度が１３０００
ｅを越えると再び熱振動が大きくなる。ここまでの時性
は周知であり、従って従来は熱振動の最も小さい１２０
００ｅ前後の磁界強度の領域づ結晶引上げを行なってい
た。今回、本発明者等が磁界強度を更に上げてみたとこ
ろ、磁界強度が３００００６を越えると再び熱振動が小
さくなシ、さらに磁界強度が３５０００６ｅ越えると熱
振動が極めて小さくなることが判明した。そして、この
熱撮動が小さい領域が数万Ｏｅになっても続くことが判
明した。

ここで、第１図に示す原料融液の中央部の？！１度特性
を熱振動に関してまとめると、第３図に模式化して示す
如く現わすことができる。これを熱振動の大小により領
域分けすると次のようになる。

即ち、磁界印加から１１５００ｅ程度の磁界強度までの
熱振動が大きい第１の領域、磁界強度が１１５０〜１２
ｓｏｏｅｓ度の熱振動が小さくなる第２の領域、磁界強
度が１２５０〜３００００６糧度の熱振動が再び大きく
なる第３の領域、磁界強度が３００００ｅを越える熱振
動が再び小さくなる第４の領域とに分けられる。

ここで注目すべき点は、第２の領域では熱振動が確かに
小さいが、その範囲が極めて狭いということである。と
れは、第２の領域で単結晶の引上げを行なう場合、磁界
強度その他（坩堝温度や回転数等）の成長条件に対する
依存性が高く再現性に欠けることを意味する。これに対
し、第４の領域では熱振動が小さく且つその範囲が十分
に広い。

従って、第４の領域で単結晶の引上げを行なう場合磁界
強度の長手の変動に関係なく、常に熱振動の小さい状態
で単結晶の製造を行なうことが可能となる。つまり、成
長条件依存性が低く、再現性の向上を期待することがで
きるのである。

なお、第１図には示さないが、磁界強度が数万Ｏｅにな
るに伴い原料融液の中央部と周辺部との温度差は増大す
る傾向にある。この温度差があまｐ大きくなフ過ぎると
結晶の転位密度の増殖を招くことになる。本発明者等の
実験によれば、　１００００００程度の磁界強度までは
、結晶の転位密度が十分小さい範囲で単結晶の製造を行
なうことが可能であった。ｔ７ｔ１第３図に示す特性は
ＧａＡｓの場合であ夛、成長条件や製造する単結晶が異
なると（特に原料融液の電気１！導度が異なると）、こ
の特性も異なったものとなる。しかし、第１乃至第４の
領域が現われる仁とには代わりなく、従って製造する単
結晶が変わってもその時の第４の領域で単結晶の引上げ
を行なえばよい。従って、前記第４の領域で単結晶の引
上げを行なえば、均一性の高い単結晶製造が可能になる
と推定される。

次に本発明者等は、引上げ単結晶中の炭素で凌度に対し
て、デバイスプロセスのＭ処！（８５０℃２０分）後の
ＧａＡｓ基板の比抵抗が熱処理前とどれだけ減少したか
を調べた結果、第４図に示す如き特性を得た。ここで横
軸は結晶中の炭素濃度、縦軸は熱処理前後での比抵抗の
変化を示す。このことから熱処理後にも基板の比抵抗が
１００百以上であるためには炭素濃度がＩ　Ｘ　１０　
　ａｔｍｓ／ａｄ以下でなければならないことがわかる
。ま九、引上げ炉内圧力に対する引上げ結晶の炭素濃度
の変化を調べ九結果％第５図に示す如き特性を得た。こ
こで横軸は炉内圧力、縦軸は結晶中の炭素濃度を示す、
これから、炉内圧力が５ａｔｍ以上、　ｌ　５　ａｔｍ
以下で単結晶の引上げを行なえば、結晶の頭部から尾部
まで炭素濃度がｌＸｌ０　　ａｔｍｓ／−以下で頭部と
尾部の濃度差も少なく、従って比抵抗が１００譚以上で
均一性の高い単結晶製造が可能になると推定される。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第
６図は本発明の一実施例に使用した単結晶製造装置の概
略礪成を示す模式図である。

図中６１はステンレス鋼等からなら高圧容器であり、こ
の容器６１内には、坩堝６２、坩堝受け６３、ヒータ６
４％及び熱しゃへい６５等がそれぞれ収容され、また容
器６１の外部には超電導磁石７１．７２が配設されてい
る。坩堝６２は、例えばＰＢＮからなるもので、有底円
筒状に形成されている。坩堝６２内には、原料融液８１
の基となる金１％Ｇａ、金１％Ａｓ、、および液体封止
層８２の基となる例えばＢ２Ｏ３が収容されている。そ
して１容器６１の上壁を貫通し次結晶引上げ軸６６の下
端に装着された種結晶８３を原料融液８１に接触させた
のち、引上げ軸６６を引き上げることによってＧａＡｓ
単結晶８４が引上げ製造されるようになっている。

坩堝６２は、坩堝受け６３によって支持されている。坩
堝受け６３は円筒体６３ａ、底板６３ｂ及び台座６３Ｃ
’を組合わせて構成されている。即ち、円筒体６３ａは
坩堝６２の外周面を囲むように６２に密着して配設され
、底板６３ｂは坩堝６２の底部に接するように配役され
ている。そして、台座６３Ｃは底板６３ｂｔ−支持する
ものとなりている。

坩堝受け６３の台座６３Ｃには、容器６１の底壁を貫通
した回転軸６７が装着されている。そして、この回転軸
６７を回転機構（図示せず）によって回転することによ
りて坩堝６２が回転するようになっている。

坩堝６２の外周部には坩堝６２と離れて円筒状のヒータ
６４が坩堝６２と同軸的に配設されている。

このヒータ６４は坩堝６２内の原料及び封止剤を加熱融
解して、前記原料融液８１及びその上の液体封止層８２
を形成するものである。ま九ヒータ６４の外側には、熱
しゃへい体６５が配置されている。この熱し中へい体６
５は、サイドリング６５ａ　、）ツブカバー６５ｂ、及
びボトムプレート６５Ｃからなるものである。サイドリ
ング６５ａはヒータ６４よフも径及び高さの大きな円筒
状に形成されたもので、ヒータ６４と同軸的罠配設され
ている。トップカバー６５ｂ　　は中央部に前記坩堝６
２が挿通する開孔を有する円板状に形成され、サイドリ
ング６５ａの上部に配設されている。ボトムプレート６
５Ｃは、トップカバー６５ｂと同様な形状を有するもの
で、サイドリング６５ａの下部に配設されている。

Ｆ札前記超電導磁石は強磁場を形成するもので、前記容
５６１？挟み、坩堝６２の位置で水平方向に対向配置さ
れている。そしてこれらの超電導磁石７１，７２により
、坩堝６２内の原料融液８１に水平方向の磁界が印加さ
れるようになっている。

次に上記装置を用いたＧａＡｓ単結晶の製造方法につい
て説明する。

まず、前記坩堝６２内にＧａＡｓ原料としてＧａとＡｓ
のモル比がＧａＡｓ原料、９５となるように約３．２　
ｋ　ｆチャージし、さらにＢ２Ｏ３封止剤をその上にチ
ャージし九５次いで、容器６１内を５　Ｘ　１０−２Ｔ
ｏｒｒ程度まで真空引きした後Ａｒガスを導入し、容器
６１内を加圧状態（約３９　ａｔｍ　）にした。ヒータ
６４によシ、坩堝６２ｆ：加熱し、坩堝６２内の原料及
び封止剤を加熱融解して、原料融液８１上に液体封止層
８２が位置するようにした。

その後、容器６１内’ｃ　７　ａｔｍにして、前記超電
導磁石５１．５２により水平方向に磁界上印加して原料
融液８１中の磁界強度が３５０００ｅ程度となるように
した。つまり、原料融液の熱振動が小さい前記第４の領
域で且つ、引上がる結晶中の炭素濃度がＩ　Ｘ　１０”
　６ａ　ｔｍｓ　／７以下で、頭部と尾部との濃度差が
最小になるように設定した。

この状態で、原料融液８１を種付は最適条件温度に調整
した後、種結晶８３を液体封止層８２を通してＧ　ａ　
Ａ　ｓ原料融液８１に接触させた０種結晶８３と原料融
液８１とを十分馴染ませ九ところで引上げ速度７ｗ／ｈ
で引上げを開始し、直径約８５ｍφＺ７ｋｒのＧａＡｓ
単結晶を引上げ製造した。

かくして製造されたＧａＡｓ単結晶からウエノ・金切り
出し、ウェハ上に３００個のＦＥＴ＝ｉ作成し、その特
性を評価したところ第７図（ａ）　（ｂｌに示す如き結
果が得られた。なお、＠７図ｔａ）は磁界を印加せず炉
内圧力ｉ２Ｑａｔｍで引上げ製造し九単結晶での結果で
あシ、同図（ｂ）は本実施例によ９作成し九単結晶での
結果である。第７図から明らかなように、磁界を印加し
ない従来方法に比べ、磁界を印加して７ａｔｍで引上げ
た本実施方法による単結晶は非常に均一であることが判
る５本実施例により作成し念単結晶上べ作成され＆ＦＥ
Ｔのしきい値電圧の分散は２０〜３　ＱｍＶと非常に良
好な結果が得られ念。また、比抵抗は熱処理前後で１０
０α以上を示していた。この結果は結晶の頭尾から尾部
まで同様であった。

このように本実施例によれば、前記第３図に示す原料融
液の熱振動の小さい第４の領域に相当する水平方向の磁
界を印加して且つ前記第５図に示す炭素一度がＩ　Ｘ　
１０１６ａｔｍｓ　／−以下になる炉内圧力、即ち５　
ａｔｍ以上％１５ａｔｍ以下でＧａＡｓ単結晶を引上げ
ることにより、結晶の頭部から尾部まで熱処理前後で比
抵抗が１０Ω−以上であり、均一性の非常に高い良質の
ＧａＡｓ単結晶を製造することができる。また、前記第
２の領域で引上げる場合と異なり、成長条件（特に磁界
強度）に対する依存性が低く、再現性も十分大きいもの
であワ九。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記印加磁界の強度は３５０００ｅに限る
ものではなく、前記第４の領域に相当する磁界強度の範
囲であればよい。ま九炉内圧力は７ａｔｍに限るもので
はなく、結晶中の炭素濃度がＩ×１０”ａｔｍｓ／−以
下で頭部と尾部での炭素濃度差の少ない範囲、即ち５　
ａｔｍ以上１５　ａｔｍ以下であればよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は、それぞれ本発明の基本原理を説明
するためのもので、第１図は磁界強度に対する原料融液
の温度変化を示す特性図、第２図は上記特性金得る九め
の温度センサの配置例金示す模式図、第３図は磁界強度
に対する熱振動特性を示す模式図、第４図は引上げ結晶
中の炭素濃度に対する熱処理前後の比抵抗変化を示す特
性図、第５図は炉内圧力に対する結晶中の炭素濃度を示
す特性図、第６図は本発明の一実施例を説明するための
単結晶製造装置の概略購成図、第７図御粘。 、神は上記実施例による効果を説明するためのもので、
ウェハ上に作成した３００個のＦ’ＥＴのしきい値電圧
の特性図である。 ２１．６２　：坩堝２２，８１　：原料融液　２３：ｇ
体封止剤２４：熱電対　２５：石英管　６１：高圧容器
６３：坩堝受け　６４：　ヒータ　　６５・ｒ・熱し中
へい体６６：引上げ軸　６７：回転軸　７１．７２：超
電導磁石８２：液体封止層　８３：種結晶　　８４　：
引上げ単結晶代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　竹　花　喜久男 第　２　図 第　　３　　図 ｆｉ　ｔ　４ｊｔＬ（ａｔｎｓｓ／ｃｒｒｅ　）第４図 第　　５　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）坩堝内に収容された原料融液に水平方向の磁界を
   印加すると共に、該原料融液に種結晶を接触させ、該種
   結晶を鉛直方向に引上げることにより単結晶を引き上げ
   製造する単結晶の製造方法において、磁界強度の変化に
   伴う原料融液の熱振動特性に関し、磁界強度が増大する
   方向に、熱振動の大きい第１の領域、熱振動が小さくな
   る第２の領域、熱振動が再び大きくなる第３の領域、熱
   振動が再び小さくなる第４の領域とするとき、前記原料
   融液に印加する磁界の強度を上記第４の領域となる大き
   さに設定すると共に、単結晶引上げ中の炉内圧力を５ａ
   ｔｍ以上、１５ａｔｍ以下に設定して単結の引上げを行
   なうことを特徴とするＧａＡｓ単結晶の製造方法。
2. （２）前記磁界の強さを３０００〜１００００Ｏｅに設
   定したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のＧ
   ａＡｓ単結晶の製造方法。
3. （３）前記磁界を印加する手段として超電導磁石を用い
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のＧａＡ
   ｓ単結晶の製造方法。