JPH0474788A - 化合物半導体単結晶の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は封管式の垂直ブリッジマン法によって単結晶を
製造する方法の改良に関し、殊に大型て高品質の化合物
半導体単結晶を製造する方法に関するものである。

［従来の技術］ ＧａＡｓ等の化合物半導体単結晶の工業的製造法として
は、水平ブリッジマン法（ＨＢ法）や液体封止引き上げ
法（ＬＥＣ法）等が知られている。これらの方法で得ら
れる単結晶の直径は、ＨＢ法で５Ｃ）〜７５ｍｍ程度、
ＬＥＣ法で７５〜１００ｍｍ程度である。

近年、デバイス製造側からは、歩留りおよび生産性向上
という観点からウェハーの大口径化の要求が強まってお
り、その為の製造技術の開発か急務となっている。しか
しながら上記の様な工業的製造法では、単結晶直径を更
に大きくするには限界かあり、上記した程度よりも大口
径の単結晶を製造するのは困難であった。即ちＨＢ法で
は、容器として用いる石英ガラス外管を大口径とする必
要かあり、その結果、該外管の熱変形が著しくなり安定
した工業的生産ができなくなる。またＬＥＣ法では、化
合物半導体単結晶の機械的強度がシリコン系半導体のそ
れと比較して低いことから、結晶直径か増大して引き上
げ結晶重量が大きくなると、引き上げ中に種子結晶部分
て破断してしまい、大口径化は困難であるとされている
。

一方、単結晶の製造方法としては、垂直ブリツシマン法
も知られている。この方法では化合物半導体の単結晶化
自体が困難であるとされ、これまで工業的生産方法とし
ては採用されていなかった。しかし低温度勾配下での結
晶成長か可能であるという利点を有することから近年欠
陥の少ない良質結晶の製法として見直されつつあり、様
々な手段で改良されている。垂直ブリッジマン法を改良
した単結晶製造方法としては、例えは特公昭５８−５０
０７５７号や特開昭６４−５２［ｉ９３号等の技術が提
案されている。

第２図は垂直ブリッジマン法の基本原理を説明する為の
概略説明図であり、１は耐熱性のるつぼ　２はヒーター
、３は原料融液、４は成長過程の結晶（育成結晶）、５
は種結晶、６はコーン部を夫々示す。この方法では外部
加熱によって温度勾配を形成しつつ、るつぼ１を引き下
げることによって、原料融液３を結晶化し種結晶５上に
単結晶を成長させるものである。

［発明が解決しようとする課題コ 垂直フリウジマン法では、第２図に示した様に、結晶４
の全重量を耐熱性のるつぼ１によって保持てきるので、
引上げ法で述へた様な結晶重量増加による制約は少ない
と言える。しかしながら、この方法では、シーディング
（種付け）後、結晶４かコーン部６を通って結晶径を広
げていく過程でるつぼ１の壁から双晶か発生する確率が
高くなり、結晶直径を大きくした場合にその傾向かより
一層顕著になってくるという不都合かあった。

こうしたことから種結晶５の直径を育成結晶４の直径と
同等にし、コーン部６からの双晶発生を防止する技術も
知られている。しかしながらこの様な方法では、種結晶
５の温度許容限界か小さいことに原因して、シーディン
グか難しくなるという欠点かあった。即ち、シーディン
グの際には、極めて正確な温度制御か必要となり、−世
間違うと種結晶５の全てを溶かしてしまいかねない。こ
うした事態は、種結晶４の厚みを大きくすることで回避
できそうであるか、そうすると大型の種結晶か必要とな
り、それたけコストか高くなってしまうという新たな不
都合か生していた。

また結晶の直径が大きくなるにしたかつて、成長中の結
晶中央部からの有効な熱放散か困難となり、結晶の成長
速度か中央部と周辺部とて異なり、固液界面の形状か結
晶側（第２図における下方側）に凹状となってしまい、
成長固液界面での熱応力に起因する結晶中への転位導入
等による品質低下か著しくなるという問題があった。

本発明はこうした状況のもとになされたものであって、
その目的は、垂直ブリッジマン法によって化合物半導体
単結晶を製造するに当たり、上記の様な双晶発生を回避
すると共に、比較的薄型のバルク状種結晶で安定なシー
ディングを可能にし、高品質の大口径化合物半導体単結
晶を歩留りよく製造する方法を提供することにある。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明とは、封管容器を用いて行
なう垂直ブリッジマン法によって化合物半導体単結晶を
製造するに当たり、製造すべき単結晶と同等の直径を有
する種結晶を用いると共に、該種結晶の中央下部に凹部
を形成しておき、該凹部からの放熱を促進させつつ操業
を行なう点に要旨を有する化合物半導体単結晶の製造方
法である。

［作用］ 本発明は上述の如く構成されるか、要するに、育成結晶
と同等の直径を有する種結晶を用いて初期結晶成長過程
での双晶発生を回避すると共に、前記種結晶の中央下部
に凹部を形成しておき、該凹部に制御された量の冷却媒
体を供給して強制冷却することによって、結晶中央部か
らの放熱を促進し、固液界面形状か平坦化する様に結晶
成長速度を均一化し、高品質の大口径化合物半導体単結
晶を得る様にしたのである。

本発明によれは、希望する直径の単結晶を製造すること
かでき、例えは７５ｍｍの直径の結晶を作製しようと思
えば、種結晶として７５ｍｍ直径のものを用いれはよい
。また上記の強制冷却効果によって、用いる種結晶の厚
みを比較的小さくすることがてきる。尚第２図に示した
様な細いｆ！！結晶を使用する場合に比へて、本発明で
用いる種結晶は重量的に大きくなることは否めないか、
本発明における種結晶はシーディングの際における不都
合を回避し、繰り返し使用に耐え得るのでその点は相殺
されることになる。

本発明で形成する凹部の直径は、結晶直径の％以下とな
る様にするのか好ましいか、これは中央部からの冷却能
を高めたいという要請と、冷却能か高まり過きると育成
結晶の周辺部も冷却されることになり、本発明の目的か
達成されないのでこれを避けるという要請を考慮したこ
とによる。

本発明で採用する冷却機構については、例えば第３図（
ａ）　、　（ｂ）に示す様に、石英ガラス容器１０の下
部中央に形成した凹部１１の内側にスパイラル状の管路
１２を設け（他の参照符号は第２図と同じ）、この管路
１２内に玲ガスや冷水等の冷却媒体を供給する構成が代
表的に例示されるが、管路１２の凹部１１付近の形状は
スパイラル状に限らず、例えは第４図に示す様に２重管
式のジャケット方式による熱交換用通路１４を通宝のガ
ラス細工により容器１０に形成したものを採用すること
もできる。また管路１２は第３図に示した様に、独立し
た２系統（またはそれ以上）となる様に設置した方か成
長初期の微妙な温度制御の点から有利であるか、成長結
晶の直径や設定温度等によって適宜設計変更すれはよい
。尚本発明を実施するに当たっては、炉温度や冷却媒体
供給量の制御については、装置構成に対応したシミュレ
ーション実験を行なうことによって設定すれはよい（後
記実施例参照）。

前記第３図では、石英ガラス容器内に原料を直接装入す
る構成を示したけれども、本発明で用いる結晶成長用容
器は第３図に示した構成に限らず、例えは第４図に示し
た様に、石英ガラス容器１ｏ内にパイロリティック・ホ
ロン・ナイトライド（ＰＢＮ）製のるつぼ１５を装填し
、このるつは１５内に多結晶ＧａＡｓ原料１６（図ては
融解前を示す）を装入する様な構成も採用することがで
きる。尚第４図中１５ａは、るつぼ側蓋（ＰＢＮ製）で
ある。この様な構成では、石英ガラス容器１０からのシ
リコンの結晶への混入を避けることかでき、高速ＩＣ用
として好適な高純度の半絶縁性ＧａＡｓを製造すること
かできる。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するか、下
記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・
後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明
の技術的範囲に含まれるものである。

［実施例］ 第１図は本発明を実施する為の装置構成例を示す概略説
明図であり、図中２０は結晶成長用容器、２１は加熱用
電源、１７はヒータ、１８ａ〜１８ｄは熱電対型温度計
、１９ａ、１９ｂは熱交換器、２０ａ、２０ｂはマスフ
ローメータ、２５は制御装置、２６は温度制御装置、２
７は測温用熱電対、２８はパーソナルコンピュータを夫
々示す。

まず冷却媒体の流量制御の解析手順について説明する。

本発明者らは第１図に示した構成において、１００ｍｍ
直径のＧａＡｓ車結晶を成長させ、成長用容器２０内の
温度分布と冷却カス流量との関係を有限要素法を用いた
熱流解析によって求めた。

その結果例を第５図（ａ）〜（ｄ）に示す。

次に、ＧａＡｓの融点１２３８℃の等混線で示される固
液界面の形状か平坦になる条件を全結晶成長過程に亘っ
て求めた。その−例として、第５図（ａ）に示した温度
プロフィルＡでの固液界面平坦化に必要な冷却ガス流量
を第６図に示す。尚解析に当たっては実際のるつぼ内で
の温度測定データを参考にし、その境界条件を最適化し
た。

解析の結果、冷却ガスを流さないで炉の温度コントロー
ルを行っただけでは、固液界面の形状を結晶側に凹状と
なるのを避けることはできなかったが、冷却ガスを使用
して強制冷却した場合は、界面形状のコントロール範囲
を格段に大きくすることができることか確かめられた。

尚結晶下部中央部に形成する冷却用凹部の直径に関して
は、あまり大きくすると結晶中央部に冷却効果をもたせ
る目的に対して不適当となり、成長した結晶長さが比較
的短い段階での界面形状コントロール効果が弱くなり、
固液界面の形状を結晶側に凹状になるのを避けることが
不可能になることが判明した。本発明者らの実験による
と、１１０Ｃ１直径の結晶成長においては、長さ２０ｃ
ｍの結晶全体を固液界面形状を平坦に保ちつつ成長させ
る為には、前記凹部の直径は結晶直径の％以下であるこ
とが好ましいことがわかった。また凹部の直径の最小値
は、冷却部の方式の違いによっても異なり、必ずしも限
定できるものではなく、実質的に冷却効果を低下させな
い範囲内てあればよい。従って最終的には、結晶成長の
全範囲に亘って、固液界面形状を平坦化させつつ結晶成
長させる為の容器の温度設定と冷却ガス流量との組合せ
を整理し、最適成長条件を決定すればよい。

以上の解析結果に基づき、冷却ガス制御プログラムを作
製し、このプログラムに従って実際にＧａＡｓ単結晶の
製造を実施した。

ＬＥＣ法によって製造された直径１００ｍｍ、厚さ１５
ｍ＋ｎのＧａＡｓ単結晶バルク材の円形面上に超音波加
工によって直径１０ｍｍ、深さ１０ｍｍの穴をあけたも
のを種結晶とし、ＧａＡｓ多結晶原料およびドーパント
としてのＳ　ｉ　（１０”７ｃｍ３のンａ度となる量）
と共に、第３図に示した石英容器中に真空封入した。こ
のとき、結晶成長中の容器とＧａＡｓとの反応を防止す
るために、真空封入に先立ち、成長容器内部を充填原料
と共に洗浄し、清浄化しておくことが好ましい。成長容
器を垂直ブリッジマン炉にセットした後、通常の結晶成
長方法に従って昇温し、上記種結晶を上端面３ｍｍのと
ころでメルトバックした。その後、炉の温度コントロー
ルにより、固液界面を１０℃／＋ａｍの温度勾配下で１
時間に３ｍｍの割合で移動させ、さらにこれに同期させ
つつ上記冷却ガスによる強制冷却を実施し、全長２０ｃ
ｍに亘る結晶化を終了した。

得られたＧａＡｓ結晶は、全体に亘って双晶の発生が見
られず、切断および研磨加工によって製作したウェハー
２００枚から１０枚毎に抜き取ってその特性評価を行な
ったところ、その９０％か面内平均値て７００／ｃｍ２
以下の転位密度を持ち、極めて低結晶欠陥でありインゴ
ット内での均質性の高い高品質のものであった。

比較例 冷却ガスによる強制冷却を実施しない以外は、上記実施
例と同様にしてＧａＡｓ単結晶を成長させ、その品質を
調査した。

その結果、結晶成長初期段階での転位密度は面内平均値
て１３００７０ｍ２であり、実施例の場合と比較して若
干多い程度であったが、成長が長くなるにつれて、転位
密度は次第に増加し、種結晶から５ｃｍ、１０ｃｍの位
置において夫々３３００／ｃｍ２１７７００／ｃｍ２　
となり、品質の劣化が目立った。更に、それ以降の部分
では、結晶内部に結晶方位の異なるサブグレインが発生
し、成長につれて次第にその領域か広がり、結晶全体が
多結晶化していた。

［発明の効果］ 以上述へた如く本発明によれば、種結晶中央下部から強
制冷却して結晶中央部からの放熱を促進させる構成を採
用することにより、直径７５ｍｍ以上の比較的大型の化
合物半導体単結晶を欠陥の少ない高品質の状態で歩留り
よく製造することかできる様になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する為の装置構成例を示す概略説
明図、第２図は垂直ブリッジマン法の基本原理を説明す
る為の概略説明図、第３図は本発明で採用する石英ガラ
ス容器の構成例を示す概略説明図、第４図は石英ガラス
容器内にＰＢＮ％るつぼを装填した状態を示す概略説明
図、第５図（ａ）〜（ｄ）は成長容器内の温度分布と冷
却ガス流量との関係の一例を示すグラフ、第６図は固液
界面平坦化に必要な冷却ガス流量の領域を示すグラフで
ある。 １・・・るつぼ　　　　　２，１７・・・ヒーター３・
・・原料融液　　　　４・・・結晶（育成結晶）５・・
・種結晶　　　　　６・・・コーン部２０・・・結晶成
長用容器　２１・・・加熱用電源第 図（ａ） （ｂ） 第 閃 第 閃 （ａ） 第 図 （ｂ） 忙） （誌９ご） （ｄ） （蒲：：）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　封管容器を用いて行なう垂直ブリッジマン法によって
   化合物半導体単結晶を製造するに当たり、製造すべき単
   結晶と同等の直径を有する種結晶を用いると共に、該種
   結晶の中央下部に凹部を形成しておき、該凹部からの放
   熱を促進させつつ操業を行なうことを特徴とする化合物
   半導体単結晶の製造方法。