JPH0761886A - 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】ボート法により閃亜鉛鉱型の化合物半導体単結
晶を＜１００＞方向に成長させる場合、リネージ欠陥の
発生を抑制し歩留の向上を図る。 【構成】育成すべき結晶１の高さＨを５２ｍｍとし、ボ
ート２中にＧａを４０００ｇ、反応容器３の他端にＡｓ
を４３５０ｇ入れ、反応容器３内を真空状態に減圧し封
じ、炉芯管４の内径Ｄが１０４ｍｍの結晶育成炉に反応
容器３をいれ結晶１の育成を行った。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水平ブリッジマン法
（ＨＢ法）、ゾーンメルト法や温度傾斜法（ＧＦ法）等
のボート法による化合物半導体単結晶の製造装置および
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般にボート法による化合物半導
体単結晶の育成においては、単結晶の成長方位をボート
長手方向に平行に＜１１１＞方向で行い、結晶のウエハ
面が（１００）面となるよう、結晶の長手方向（成長方
向）に対して所定の角度で斜めにウエハを切り出してい
た。また、生産性の点から結晶成長方向に垂直にウエハ
を切り出せるように、＜１００＞方向で成長させる方法
が一部行われている。報告された例としては特開平１−
１３９２２３号、特開平２−１１１６５号、本出願人に
よる特願平３−１９５８４６号、特願平４−８２７９２
号等がある。

【０００３】＜１１１＞方向成長と＜１００＞方向成長
を比較する。従来一般に行われている結晶成長方向を＜
１１１＞方向と等価な方向とした場合には、（１００）
ウエハを結晶長手方向に対して斜めに切り出すために
は、例えば５０ｍｍφのウエハを切り出す場合、必要な
結晶の高さは３５ｍｍもあれば十分であった。これに対
して、本発明のように結晶成長方向を＜１００＞方向と
等価な方向にする場合においては、同じ５０ｍｍφのウ
エハを切り出すための結晶の高さは、最低でも５０ｍｍ
必要となる。このように＜１００＞方向成長では、結晶
の高さを高くする必要がある。

【０００４】また、ボートの長手方向に垂直な断面形状
は、＜１１１＞方向成長で用いられているような半円型
やＵ字型が一般的である。＜１００＞方向成長では、効
率よく円形の（１００）ウエハを切り出すために、円形
に近い形のボートを使用する必要があり、結晶上部の幅
に対して結晶中央付近部の幅を大きくし、さらに結晶底
部では幅を小さくする必要がある。

【０００５】しかし、＜１００＞方向の成長は、＜１１
１＞方向成長に比べ結晶欠陥であるリネージ欠陥が非常
に発生しやすい。特に結晶上方から発生するリネージ欠
陥の発生が多く、歩留の低下を招いていた。

【０００６】このリネージ欠陥発生を防止する手段とし
て、育成すべき結晶直胴部の上面（自由表面）の少なく
とも一部において、ボート長手方向に垂直に近い（１１
１）面に等価な晶癖（ファセット）を出現させること、
あるいは前記育成すべき結晶直胴部の上面（自由表面）
の少なくとも一部において、平行でない３種の（１１
１）面に等価な晶癖（ファセット）を出現させること等
により、リネージ欠陥発生原因である結晶水平断面の結
晶成長界面形状を改善するという手段も、本出願人によ
る特願平５−１７６２３２号により提案されている。

【０００７】また、結晶製造用電気炉（結晶育成炉）の
有効内径と結晶高さに関する報告はほとんどない。＜１
１１＞方向成長の場合には、この結晶育成炉有効内径と
結晶高さの比にあまり影響されず良好な結晶を育成する
ことができる。本発明者らの実験では、結晶高さの約３
倍あるいは５倍程度の有効内径をもつ結晶育成炉を用い
ても充分に良好な結晶を得ることができる。

【０００８】これに対して、＜１００＞方向成長につい
ては、結晶育成炉の有効内径に関する報告は全くない。
そのため、＜１００＞方向成長用の結晶育成炉を設計す
るための指針がなく、＜１１１＞方向成長と同様な結晶
育成炉の有効内径と結晶高さの比を選んでいた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、＜１
００＞方向成長において、リネージ欠陥の発生しにくい
結晶育成炉を設計するのに必要とされる、結晶育成炉有
効内径と結晶高さに関する関係を明らかにし、＜１００
＞方向成長における歩留の向上を達成するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の問題を
解決すべくなされたものであり、閃亜鉛鉱型の結晶構造
を有する化合物半導体単結晶のボート法による製造方法
において、前記化合物半導体単結晶の＜１００＞方向に
等価な一つの方向をボート長手方向に対して３０°以内
とし、育成すべき結晶の高さの３倍以下の有効内径を有
する結晶製造用電気炉を用い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。

【００１１】また、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する化合
物半導体単結晶を＜１００＞方向に等価な一つの方向が
ボート長手方向に対して３０°以内となるようにしてボ
ート法により製造する製造装置において、結晶製造用電
気炉の有効内径を育成すべき結晶の高さの３倍以下とし
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。

【００１２】以下、本発明の構成を詳しく説明する。本
発明における化合物半導体単結晶の製造方法は、図１に
示すように、原料を入れたボート２を反応容器３内に封
入し、この反応容器３を所定の温度勾配を有する結晶育
成炉内に配置し、前記ボート内の原料融液を一端から徐
々に固化し単結晶を得るものである。化合物半導体結晶
製造用電気炉（結晶育成炉）は、前記反応管を収容すべ
く全体として水平方向に伸びる細長い形状をなし、断熱
材６とその内側に配置され独立に電力を印加できる複数
ゾーンのヒーター５等により構成されている。

【００１３】ここで、結晶製造用電気炉（結晶育成炉）
の有効内径は、ヒータ線の内部に炉芯管（均熱管）４を
配置する場合にはこの炉芯管の内径であり、炉芯管を用
いない場合にはヒータ素線や断熱材により構成される前
記反応容器を収容する空間の内径により決定される。

【００１４】図１は、炉芯管を用いた結晶育成炉の長手
方向に垂直な断面図である。図中Ｄは炉芯管の内径、Ｈ
は育成すべき結晶の高さを示す。本発明においては、結
晶育成炉の有効内径Ｄが育成すべき結晶の高さＨの３倍
以下であることが必要であり、さらに２．５倍以下にす
ることにより効果が大きく好ましい。また、２倍程度と
することにより、再現良く結晶を育成することができ好
ましい。

【００１５】また、育成すべき結晶高さに対して、結晶
育成炉の有効内径を小さくし過ぎると、前記反応容器が
入らなかったり、反応容器が結晶製造中の高温下で変形
して結晶育成炉から反応容器が取り出せない等の不都合
が生じる。このため、結晶育成炉の有効内径は反応容器
外径より１０ｍｍ以上大きいことが好ましい。

【００１６】また、結晶成長方向である＜１００＞方向
と垂直な＜１１０＞方向に等価な１つの方向が、ほぼ鉛
直上方になるように種結晶方位を選び、前記育成すべき
結晶直胴部の上面（自由表面）の少なくとも一部におい
て、ボート長手方向に垂直に近い（１１１）面に等価な
晶癖（ファセット）および、前記ファセットと平行でな
い他の２種の（１１１）面に等価な晶癖（ファセット）
を出現させることにより、さらにリネージ欠陥の低減に
効果があり好ましい。

【００１７】また、前述の種結晶の方位としては、結晶
成長方向（テール側）からみて、種結晶の前記＜１００
＞方向と垂直な（１００）等価面に隣接する４個の（１
１１）等価面のうち、育成すべき結晶が３−５族化合物
半導体の場合には５族元素面、２−６族化合物半導体の
場合には６族元素面を上方に選ぶことが、ファセットを
安定して出現させリネージ欠陥の抑制に効果があり好ま
しい。

【００１８】この種結晶方位は、３−５族結晶のＧａＡ
ｓ結晶の場合を例にとると、種結晶の前記＜１００＞方
向に垂直に切り出したウエハを、溶融ＫＯＨによりエッ
チングしたときに発生するピット形状が、図５に示すよ
うに、ウエハのシード側面では横長形状（イ）を、テー
ル側面では縦長形状（ロ）を示すような種結晶の方位と
なる。

【００１９】さらに、前記育成すべき結晶の自由表面よ
り深さ方向に少なくとも１０ｍｍ以内の結晶水平断面
の、ボートと接触する両側の結晶成長界面形状におい
て、図２（ロ）のようにボートと成長界面のなす角θが
種結晶側から６０°以上であることが好ましい。

【００２０】さらに、結晶長手方向に垂直な断面形状
で、最も幅の大きくなる部分より上部、つまり前述の結
晶表面の法線方向が水平方向より上方向となる部分にお
いて結晶の水平方向成長界面形状を前述のようにするこ
とが、リネージ欠陥抑制に対してより効果があり好まし
い。さらに、結晶全体にわたり水平方向の成長界面形状
を完全に凸にする（ボートのテール側へ凸とする）こと
がより好ましい。

【００２１】種結晶の方位としては、＜１００＞方向に
等価な一つの方向がボート長手方向となす角を３０°以
内とし、好ましくは上下方向に３０°以内とすることに
よって、固液界面のファセット発生が左右対称になりや
すく好ましい。また、前記＜１００＞方向をボート長手
方向に平行にすることにより、（１００）等価面ウエハ
を切り出しやすいので好ましい。

【００２２】また、前記種結晶方位の＜１００＞等価方
向に垂直な＜１１０＞等価方向ベクトルの、ボート長手
方向に垂直な断面への投射ベクトルが、育成すべき結晶
の表面のうちボートと直接接触しない表面に対する法線
方向の一つと一致するようにすることによって、自由表
面のファセットが発生しやすく好ましい。さらに、前記
＜１１０＞方向が鉛直上方を向くようにすることによ
り、ファセット形状が左右対称になりやすく、しかも平
行でない３種のファセットが発生しやすいため、より好
ましい。

【００２３】また、３−５族結晶のＧａＡｓ結晶の場合
を例にとると、種結晶の前記＜１００＞方向に垂直に切
り出したウエハを、溶融ＫＯＨによりエッチングしたと
きに発生するピット形状が、ウエハのシード側面では横
長形状（図４（イ））を、テール側面では縦長形状（図
４（ロ））を示すような種結晶の方位、つまり結晶成長
方向（テール側）からみて、種結晶の前記＜１００＞方
向と垂直な（１００）等価面に隣接する４個の（１１
１）等価面のうち、育成すべき結晶が３−５族化合物半
導体の場合には５族元素面、２−６族化合物半導体の場
合には６族元素面を上方に選ぶことにより、ファセット
が安定に出現するようにできるので好ましい。

【００２４】また、ボートの長手方向に対して垂直な断
面形状としては、底部の幅が狭く中央部の幅が広く上部
の幅が再度狭くなっている形状が、スライスウエハの円
形化ロスが少ないことから好ましく、特に円弧あるいは
楕円弧であることが好ましい。また、ボート材質として
は石英ガラス、ＰＢＮ、ＡｌＮ等が適している。

【００２５】本発明における閃亜鉛鉱型の結晶構造を有
する化合物半導体単結晶としては、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が相当する。

【００２６】

【作用】従来＜１００＞方向成長において全く注目され
ていなかった、結晶育成炉の有効内径が結晶欠陥に与え
る影響が大きいことが実験的に明らかにされ、本発明の
ような結晶育成炉の有効内径の範囲が最適であることが
わかった。この理由については必ずしも明確ではない
が、本発明者らによる実験結果と推定される原因につい
て以下にまとめる。

【００２７】断面半丸型のボートを用い＜１１１＞方向
に成長させる場合において、一般に用いられている結晶
育成炉有効内径はＤ／Ｈ（Ｄは結晶育成炉の有効内径、
Ｈは育成すべき結晶高さ）が３以上で、従来上限は定か
ではないがＤ／Ｈ＝５程度でも充分に良好な結晶を得る
ことができる。このため、＜１００＞成長でもＤ／Ｈ＝
３．５として、断面円型のボートを用いて育成実験を行
った。しかし、育成された結晶の両サイドにリネージ欠
陥が発生しやすく、歩留良く良好な結晶を得ることはで
きなかった。

【００２８】そのため、結晶育成炉の有効内径Ｄと育成
すべき結晶高さＨの比Ｄ／Ｈを４、２．５、２、１．７
の４種類で実験を行った。実験の結果、Ｄ／Ｈ＝４の場
合には、３．５のときと同様に結晶両サイドにリネージ
欠陥が発生しやすく好ましくなかった。これに対し、Ｄ
／Ｈ＝２．５、２、１．７のときは、リネージ欠陥の発
生もなく良好な結晶を得ることができた。

【００２９】Ｄ／Ｈ＝２および２．５のときの、結晶成
長中の結晶自由表面における成長界面形状の模式的な平
面図をそれぞれ図２（イ）、図３（イ）に、また育成し
た結晶の自由表面下１０ｍｍの水平断面のエッチングに
よる成長界面観察結果を図２（ロ）、図３（ロ）にそれ
ぞれ示した。

【００３０】Ｄ／Ｈ＝４のときの結晶成長中の結晶自由
表面における成長界面形状の模式的な平面図を図４
（イ）に、また育成した結晶の自由表面下１０ｍｍの水
平断面のエッチングによる成長界面観察結果を図４
（ロ）にそれぞれ示した。

【００３１】これらの実験では、リネージ欠陥が発生し
にくくなるように、結晶自由表面にファセットができる
だけ発生しやすい温度条件で行った。

【００３２】ここで特徴的なことは、Ｄ／Ｈが大きくな
るに従って、自由表面の成長界面は成長方向に垂直に現
れる（１１１）等価ファセット８ａの幅が大きくなりや
すいことである。とくにＤ／Ｈ＞３である図４（イ）で
は、結晶幅全体にわたって前記ファセットが発生し成長
界面がフラットになっていることがわかる。これに対し
て、Ｄ／Ｈ＜３である図２（イ）、図３（イ）では、成
長方向に垂直に現れるファセットの両サイドに、異なっ
た角度の（１１１）等価ファセット８ｂ、８ｃが現れ、
自由表面における成長界面形状は全体として融液に対し
て凸となっている。

【００３３】Ｄ／Ｈ＞３のときにリネージ欠陥が発生し
やすい原因としては、図４（イ）のように自由表面の成
長界面形状がファセットによりフラットになると、自由
表面下の成長界面形状は図４（ロ）のようにＷ型とな
り、両サイドに融液に対して凹となる部分が発生し、そ
こに転位欠陥が集中しリネージ欠陥となりやすいためと
考えられる。

【００３４】これに対してＤ／Ｈ＜３のときには、自由
表面の成長界面形状が３種類の非平行なファセット８
ａ、８ｂ、８ｃにより構成され、融液に対して凸とな
る。自由表面下の成長界面形状も完全な凸型（図３
（ロ））となるため、リネージ欠陥が発生しにくいもの
と考えられる。

【００３５】この自由表面の成長界面形状のＤ／Ｈによ
る違いの原因としては、次のように考えられる。結晶育
成炉の上部には、成長界面付近に監視用の放熱窓（図１
の符号７）が取り付けられている。この放熱窓は、炉芯
管内の上方向を冷却することにより上下方向の温度差を
付与する効果以外に、炉芯管内の水平径方向の温度分布
を中心部を低く両サイドを高くする効果もある。

【００３６】結晶に対する結晶育成炉の有効内径（炉芯
管内径）を小さくすることにより、相対的に結晶の自由
表面位置が炉芯管内の上部に位置し、炉芯管上部に取り
付けられた成長界面付近上部の放熱窓（監視窓）からの
距離が短くなる。この結果、実質的に結晶上部中心と両
サイドの温度差が大きくなり、成長界面の形状が図４の
ように融液に対して凸になると考えている。

【００３７】これらのことから、Ｄ／Ｈを３以下にする
ことにより＜１００＞成長におけるリネージ欠陥が発生
しなくなると考えている。

【００３８】また、Ｄ／Ｈ＞３で、＜１００＞方向成長
ではリネージ欠陥が発生しやすく、＜１１１＞方向成長
においてはリネージ欠陥が発生しなかった理由は必ずし
も明確ではないが、その原因として結晶学的な成長方向
の違いによるものと、それぞれの２つの成長方向により
用いられるボート形状の違いが考えられる。

【００３９】２つの成長方向で一般に用いられるボート
形状の違いは、前述のように従来一般に行われている結
晶成長方向を＜１１１＞方向と等価な方向とした場合に
は、ボートの長手方向に垂直な断面形状は半円型やＵ字
型が一般的であるが、＜１００＞方向成長では、効率よ
く円形ウエハを結晶長手方向に垂直に切り出すために、
結晶上部の幅に対して結晶中央部付近の幅を大きくし結
晶底部では幅を小さくした円形に近い形のボートを使用
する必要がある。

【００４０】本発明者らは、結晶学的な成長方向の違い
によるリネージ欠陥の発生状況の差を明確にするため
に、同一形状の半円型断面のボート、同一の結晶育成炉
（Ｄ／Ｈ＝３．５）、同一の炉内温度分布を用いて、＜
１１１＞方向成長と＜１００＞方向成長の２つについて
比較育成実験を行った。その結果、＜１１１＞方向成長
では良好な結晶を得ることができたが、＜１００＞方向
成長ではリネージ欠陥が発生し良品を得ることができな
かった。このことから、結晶学的な成長方向の違いが、
何らかの原因で＜１００＞方向成長においてリネージ欠
陥の発生を助長していると考えられる。

【００４１】また、前述のように一般に用いられるボー
ト形状の違いによっても、結晶の温度分布や原料融液の
対流などに違いが現れ、そのこともリネージ欠陥の発生
を＜１００＞方向成長で助長している可能性が高いと考
えられる。

【００４２】

【実施例】以下、ＧａＡｓの単結晶を製造する場合の実
施例について説明する。結晶育成用ボートの長手方向に
垂直な断面形状が約８０％が円形状をしたボートを用
い、育成すべき結晶の、ボート長手方向に平行な＜１０
０＞方向に等価な一つの方向に直交した＜１１０＞方向
に等価な一つの方向が、ほぼ鉛直方向になるように種結
晶を設置した。

【００４３】直径５０ｍｍφのウエハが切り出せるよう
に、育成すべき結晶の高さを５２ｍｍとした。図６のよ
うにボート２の中にＧａ（符号１１）を４０００ｇを入
れ、反応容器３の他端にＡｓ（符号１３）を４３５０ｇ
入れ、反応容器３内を真空状態に減圧し封じきる。次に
炉芯管の内径１０４ｍｍの結晶育成炉に反応容器３をい
れ、反応容器３内のＡｓを６００℃に加熱し、反応容器
３内のＡｓ蒸気圧を１ａｔｍに維持する。反応容器３内
のボート部をさらに昇温し、ＧａとＡｓ蒸気を反応させ
ＧａＡｓを合成する。その後、種結晶１２とＧａＡｓ融
液を接触させる。その後、融液の温度を徐々に下げて冷
却し結晶の育成を行う。

【００４４】このときの自由表面の成長界面形状は、図
２（イ）のようなファセットが出現した。完全に固化後
さらに温度を室温まで下げて、ＧａＡｓ単結晶を得るこ
とができた。

【００４５】得られた結晶は、リネージ欠陥もなく良質
なものであった。この結晶の自由表面下１０ｍｍの水平
断面の成長界面形状をエッチングにより観測すると、図
２（ロ）のように成長界面９のボートとのなす角θは約
１４０°であった。

【００４６】得られた結晶から（１００）面円形ウエハ
を作成する場合は、得られた結晶の（１００）面方向の
断面形状が円形に近い形になるようにできる。前記ボー
ト形状により、単結晶より（１００）円形ウエハを求め
る場合に、結晶長手方向に垂直にスライスしてそのまま
円形ウエハに近い形状が得られる。このため、切削によ
る損失を小さくすることが可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は次のような
優れた効果がある。

【００４８】（１）種結晶方位を＜１００＞で育成する
場合に、結晶育成炉の有効内径を最適化することによ
り、リネージの発生を抑制し歩留が向上する。

【００４９】（２）結晶高さに対して結晶育成炉有効内
径を３倍以下とすることにより、結晶育成炉が小型化で
き、結晶育成炉の製作コストを削減できる。 （３）種結晶方位を＜１１１＞で育成する場合に比べ、
（１００）ウエハを結晶から切り出す際に、結晶の長手
方向に垂直な方向に近い方向で切り出せる。このため、
加工ロスを低減することができ、一つの結晶から切り出
せるウエハ枚数も多くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による結晶育成炉およびボートの長手方
向に垂直な断面図

【図２】本発明の実施例を示し、Ｄ／Ｈ＝２のときの結
晶成長界面形状で、（イ）は結晶育成中の自由表面成長
界面形状の平面図、（ロ）は結晶育成中の自由表面より
深さ方向に１０ｍｍの結晶水平断面の成長界面形状の平
面図

【図３】本発明の実施例を示し、Ｄ／Ｈ＝２．５のとき
の結晶成長界面形状で、（イ）は結晶育成中の自由表面
成長界面形状の平面図、（ロ）は結晶育成中の自由表面
より深さ方向に１０ｍｍの結晶水平断面の成長界面形状
の平面図

【図４】従来例を示し、Ｄ／Ｈ＝４のときの結晶成長界
面形状で、（イ）は結晶育成中の自由表面成長界面形状
の平面図、（ロ）は結晶育成中の自由表面より深さ方向
に１０ｍｍの結晶水平断面の成長界面形状の平面図

【図５】本発明により育成されたＧａＡｓ結晶から切り
だしたウエハを溶融ＫＯＨでエッチングしたピット形状
例を示し、（イ）はウエハのシード側面のピット形状の
正面図、（ロ）はウエハのテール側面のピット形状の正
面図

【図６】ボート法により結晶製造する場合の反応容器内
の側断面図

【符号の説明】

１：結晶 ２：ボート ３：反応容器 ４：炉芯管 ５：ヒーター線 ６：断熱材 ７：放熱窓 ８ａ：平行でない３種類の（１１１）に等価な晶癖（フ
ァセット） ８ｂ：平行でない３種類の（１１１）に等価な晶癖（フ
ァセット） ８ｃ：平行でない３種類の（１１１）に等価な晶癖（フ
ァセット） ９：凸型の成長界面 １０：Ｗ型の成長界面 １１：Ｇａ １２：種結晶 １３：Ａｓ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/208 Ｔ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する化合物半導
   体単結晶のボート法による製造方法において、前記化合
   物半導体単結晶の＜１００＞方向に等価な一つの方向を
   ボート長手方向に対して３０°以内とし、育成すべき結
   晶の高さの３倍以下の有効内径を有する結晶製造用電気
   炉を用い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】閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する化合物半導
   体単結晶を＜１００＞方向に等価な一つの方向がボート
   長手方向に対して３０°以内となるようにしてボート法
   により製造する製造装置において、結晶製造用電気炉の
   有効内径を育成すべき結晶の高さの３倍以下としたこと
   を特徴とする化合物半導体単結晶の製造装置。