JPH05254981A - 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】長尺あるいは大型な結晶に発生しやすいリネー
ジ欠陥の少ない良質の結晶を製造する。 【構成】有効内径φ１５０ｍｍで結晶成長軸方向の全長
約１．５ｍのスパイラル状の主ヒーター１８の高温度側
領域１２の部分が３ゾーンに分割され、固液界面１５に
近接したゾーンが他のゾーンよりも発熱量が小さい。高
温度側領域１２のほぼ全長にわたって、電気炉内の上部
長手方向に主ヒーター１８に近接して直線状の補助ヒー
ター１９を配置した。

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
製造方法及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、長尺化及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
法及び製造装置としては、特公昭５３−５８６７号、特
公昭５６−３２２７２号、特公昭５９−３８１８５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、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。このとき、固液界面部近傍以外の垂直方向の温度勾
配は、上部と下部で意図的に温度の有意差をつけるよう
調整されてはおらず、ほぼ同じ温度状態であった。

【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
にともなって、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及び大
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。

【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
収容するボート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ボート法による化合
物半導体単結晶の製造方法において、ボート内の固液界
面から５〜１５ｃｍ離れた原料融液部から原料融液側に
は、上部の温度が下部の温度よりも高くなる垂直方向の
温度勾配を設定し、かつ、少なくとも原料融液部の下部
の結晶成長軸方向に沿った温度分布に極小値を設定する
ことを特徴とす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ボートと前記
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主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
する複数の主ヒーターのうち結晶の固液界面に最も近い
部分の主ヒーターが他の主ヒーターよりも発熱量が小さ
く、前記高温度領域に相当する主ヒーターの上部に結晶
成長軸方向に沿って、主ヒーターと独立に調整される補
助ヒーターを配置した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、本発明の実施例に従って説明する。
図１は本発明の温度分布を、ボート法の１種である水平
ブリッジマン法によって３インチφ相当のＧａＡｓ単結
晶を成長させる場合に適用した１例である。図１におい
て１はボート上部側の結晶成長軸方向に沿った温度、２
はボート下部側の結晶成長軸方向に沿った温度、３は石
英製のボート、４は固液界面、５はＧａＡｓ単結晶部、
６はＧａＡｓ融液部、７は温度の極小値である。

【００１３】図２は本発明の製造装置の１実施例を示
し、ＨＢ法によって３インチφ相当のＧａＡｓ単結晶を
成長させるのに適用した場合の温度分布とボートの側断
面である。図２において１１は結晶観察用の覗き窓、１
２は高温度側領域、３は低温度側領域、１４は発熱量の
小さいヒーターゾーン、１５は固液界面、１６はＧａＡ
ｓ単結晶部、１７はＧａＡｓ融液部、１８は主ヒータ
ー、１９は補助ヒーターである。

【００１４】補助ヒーター１９は主ヒーター１８と独立
に制御できる。また、発熱量の小さいヒーターゾーン１
４は、他のヒーターゾーンより発熱体を粗に巻くか、他
のヒーターゾーンより材質を発熱効率の悪いものにする
か、他のヒーターゾーンよりも印可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。

【００１５】図２に示した本発明の製造装置を用いて、
種結晶と原料を入れたボートを封入したアンプルを炉中
に挿入し、図１に示した温度分布を図２の補助ヒーター
１９の電力とヒーターゾーン１４の電力を調整すること
により設定し、シーディング後結晶成長を行う。なお、
固液界面近傍では従来技術のごとく所定の温度分布（ボ
ート上部側が下部側よりも低い温度分布）に制御するこ
とは言うまでもない。

【００１６】本発明において、温度の極小値７は、少な
くともボート下部側の結晶成長軸方向に沿った温度２に
設ければよく、上部側の結晶成長軸方向に沿った温度１
にも設けてもよい。また、ボート内の固液界面から５〜
１５ｃｍ離れた原料融液部から原料融液側には、上部の
温度が下部の温度よりも高くなる垂直方向の温度勾配を
設定するのが好ましく、前記垂直方向の温度勾配が始ま
るのが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くなる。

【００１７】前記温度の極小値７と固液界面４側の極大
値との温度差について上部側における温度差をＴ1u、下
部側における温度差をＴ1dとし、極小値７と融液部６側
の極大値との温度差について上部側における温度差をＴ
2u、下部側における温度差をＴ2dとすると、２℃≦Ｔ1u
≦２０℃、２℃≦Ｔ1d≦２０℃とし、２℃≦Ｔ2u、２℃
≦Ｔ2dとするのが好ましい。Ｔ1u及びＴ1dについて、２
℃より小さいと融液対流抑制の効果が小さくなり、２０
℃より大きいと固液界面４以外から結晶の固化が起こり
やすくなり結晶の育成が不可能となる。また、Ｔ2u、Ｔ
2dについて、２℃より小さいと固液界面４以外から結晶
の固化が起こりやすくなり結晶の育成が不可能となる。

【００１８】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）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）等にも適用できる。また、本発明
方法及び装置は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ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。

【００１９】

【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、大型で長尺な結晶
の成長を容易に行うことができる。

【００２０】本発明の作用は以下のように説明できる。
従来の温度分布では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の
多い長尺結晶では一層顕著になる。欠陥の少ない結晶を
成長させるのに最も重要な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。従って、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、結果的
にリネージ欠陥が発生しやすくなると推察される。

【００２１】上記従来技術の温度条件での融液対流状態
をコンピュータシミュレーションすると図３のようにな
り、上記の推察がほぼ間違いないと考えられる。図中２
１は融液対流の速度ベクトルで、２２はボートである。

【００２２】一方、図２の本発明の装置においては、主
ヒーター１８に近接して高温度領域１２の上部に補助ヒ
ーター１９を設け、かつ印加電力の小さいヒーターゾー
ン１４を設けることによって、図１のごとくＧａＡｓ融
液部６の垂直方向温度勾配において下部側より上部側の
温度を高め、かつ、ＧａＡｓ融液部６に温度の極小値を
設ける。これにより、ボート下部からの涌き上がりの対
流をこの垂直方向温度勾配を調節することにより抑制す
ることができる。さらに、温度の極小値を設けることに
より、前記極小値よりボートのテール側の融液対流と、
前記極小値から固液界面部側の融液対流とに分割するこ
とができると推察される。

【００２３】上記二つの効果（融液対流の抑制、融液対
流の分割）が同時に作用して、結果的に固液界面部に持
ち込まれる物質移動を伴った熱流を制御及び抑制し、従
来技術による固液界面部近傍の温度分布（上部が下部よ
り低温度になる温度分布）を用いて、固液界面形状を制
御することができると考えられる。

【００２４】本発明の温度分布を用いて融液対流状態を
コンピュータシミュレーションした結果を図４に示す。
流速が弱くなり、さらに対流が２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。

【００２５】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。

【００２６】

【実施例】

（実施例）本発明の製造装置を図２に示す。電気炉内の
均熱管の周囲には、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主ヒ
ーター１８が設けられている。前記主ヒーター１８の結
晶観察用の覗き窓１１の高温度側領域１２に相当する部
分は３ゾーンに分割されている。前記３ゾーンのうち固
液界面１５に最も近接したゾーンが、長さ１００ｍｍで
他のゾーンに比較して最も発熱量が小さい。

【００２７】さらに、前記発熱量の小さなヒーターゾー
ン１４を含め高温度側領域１２のほぼ全長にわたって、
電気炉内の均熱管周囲の上部長手方向に、前記主ヒータ
ー１８に近接されかつ主ヒーター１８に対して電気的絶
縁が確保された状態で、直線状の抵抗加熱式補助ヒータ
ー１９を配置した。

【００２８】このとき前記発熱量の小さなヒーターゾー
ン１４は、両側のゾーンより温度が小さく設定されてい
る。また、それと同時に補助ヒーター１９の出力を調整
し、結晶成長軸方向の温度分布における極小値と固液界
面側の極大値との差が、ボート上部側では２℃で下部側
では７℃となるようにし、前記極小値と融液側の極大値
との差が、ボート上部側では６℃で下部側では８℃とな
るようにする。さらに、固液界面４近傍を除くＧａＡｓ
融液部６の上部側の温度が下部側の温度に比べ高く、そ
の温度勾配が１℃／ｃｍとなるような温度分布を設定し
た。

【００２９】石英アンプル内の一端に、種結晶と、４ｋ
ｇの原料Ｇａと、ドーパントとしてのＣｒを収容した３
インチφ相当の石英製のボートを置く。アンプル内の他
端には、原料Ｇａとストイキオメトリックな量及びこれ
に加えアンプル内を１気圧に保持するのに必要な量のＡ
ｓとを置き、これらを拡散バリアで仕切り真空封入す
る。このアンプルを図２の電気炉内に載置し、ボート部
分をＧａＡｓの融点温度前後に昇温し、Ａｓを載置した
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。

【００３０】その後、上記温度分布を有する電気炉を結
晶に対して数ｍｍ／ｈの速度で移動させ、種結晶側から
結晶を育成した。この結晶育成を５回行い、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相当の全長６００ｍｍで、その転
位密度（ＥＰＤ）は平均値で全て１５００以下、ＥＰＤ
の最大値でも３０００以下であった。

【００３１】（比較例）上記実施例と同様の工程で、Ｇ
ａＡｓ融液側の垂直方向上下の温度勾配を無くし、さら
に融液側で結晶成長軸方向の温度が極小値を持たない一
様な温度分布とした。育成結晶においては、種結晶の後
数ｃｍの結晶部よりリネージ欠陥の発生が見られ、さら
に結晶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回育成を行ったところ、４回で同様
の不良が発生した。単結晶ができたのはわずかに１回で
あったが、この回でも育成中にリネージ欠陥が発生し、
メルトバック後の再成長により単結晶が得られたもので
あった。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、ゾーンメルト法等の装置的に
複雑で温度分布制御の困難な技術を用いずに、従来技術
のボート法を用いて、化合物半導体の原料融液の対流状
態を融液側の垂直方向温度勾配を制御し、さらに融液側
に温度の極小値を設けることで、ボート長やボート径の
増大にともなって増加する融液量及びその熱流の影響と
推察されるリネージ欠陥を抑制する。また、化合物半導
体単結晶を比較的簡単な構造の炉で容易に作成すること
ができ、これにより大型で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及びボート
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ボート上部側の温度分布 ２：結晶軸方向に沿ったボート下部側の温度分布 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：温度の極小値 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 １８：主ヒーター １９：補助ヒーター 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ボート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ボー
   ト法による化合物半導体単結晶の製造方法において、ボ
   ート内の固液界面から５〜１５ｃｍ離れた原料融液部か
   ら原料融液側には、上部の温度が下部の温度よりも高く
   なる垂直方向の温度勾配を設定し、かつ、少なくとも原
   料融液部の下部の結晶成長軸方向に沿った温度分布に極
   小値を設定す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】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ボート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
   領域に相当する主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主ヒー
   ターのうち結晶の固液界面に最も近い部分の主ヒーター
   が他の主ヒーターよりも発熱量が小さく、前記高温度領
   域に相当する主ヒーターの上部に結晶成長軸方向に沿っ
   て、主ヒーターと独立に調整される補助ヒーターを配置
   したことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。