(57)【要約】【課題】従来の結晶成長容器を用いて結晶成長を行う場合、結晶増大部において双晶が発生しやすいという問題があった。また、得られるインゴットは円柱状であるため、それをスライスしたウエハは円形のウエハとなり、四角形の形状である半導体チップのチップ収率が悪いと言う問題も生じていた。【解決手段】半導体結晶成長容器として、結晶増大部および上記結晶成長部の結晶成長方向に直交する断面形状を四角形とし、結晶増大部の内壁角度が、結晶成長方向に対して３５．３°とすることで、双晶の発生を抑えて、閃亜鉛構造等を有する半導体結晶を成長させ、且つ四角形状のウエハが得られる角柱状のインゴットを製造できる。【選択図】図１
2014076915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦型ボート法により、閃亜鉛構造またはダイヤモンド構造を有する半導体結晶を成長させるための半導体結晶成長容器であって、
種結晶を設置する細管部と、
上記種結晶を結晶成長軸方向及び当該結晶成長軸方向と垂直な面内で増大させる結晶増大部と、
上記結晶増大部において増大させた結晶を、結晶成長軸方向に成長させる直胴部である結晶成長部と、
を備え、
上記結晶増大部および上記結晶成長部の結晶成長軸方向に直交する断面形状は四角形であり、
上記結晶増大部の内壁角度が、結晶成長軸方向に対して３５．３°である
ことを特徴とする半導体結晶成長容器。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体結晶成長容器により成長させた閃亜鉛構造またはダイヤモンド構造を有する半導体結晶から得られるウエハを用いて作製したことを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶成長を行う容器、特に、ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅといった半導体の結晶成長を行うための容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
種々の半導体ウエハは、半導体種結晶を結晶成長法により成長させてインゴットを作製し、このインゴットをスライスすることで得られる。
半導体結晶の成長方法としては、縦型ボート法と呼ばれる手法が広く用いられている。この手法においては、結晶成長容器の円筒形状を有する底部（以下、細管部と呼ぶ）に種結晶を設置し、原料溶液である結晶成長ソースを種結晶の上面より徐々に結晶化させて、結晶成長させる。この結晶成長時においては、すでに結晶化した部分は結晶の融点より低い温度に、結晶化していない結晶成長ソース部分は融点より高い温度になるように、温度勾配を与える。
【０００３】
温度勾配の制御の仕方はいろいろな方法が提案されているが、代表的な方法として、垂直温度勾配凝固法（以下、ＶＧＦ法と呼ぶ）と垂直ブリッジマン法（以下、ＶＢ法よ呼ぶ）がある。前者においては、結晶成長方向に対して温度勾配を与え、この温度勾配を一定の傾きに保ちつつ、温度の絶対値を徐々に下げていく。
一方、後者においては、所定の温度勾配を有する空間内において、結晶成長容器を低温方向に移動させる。
【０００４】
この縦型ボート法は、結晶成長方向の温度勾配を小さくできるため、特に、ＩｎＰやＧａＡｓ等の化合物半導体の結晶成長において、低転位密度の結晶が容易に得られるという優れた特長を有している。
一方で、結晶増大部において双晶を生じやすいという欠点を有している。
【０００５】
結晶増大部は、細管部と、より大きな径を有する円筒形状の成長部を繋ぐ部分であり、先端が取れた逆円錐形状を有している。この結晶増大部において、ＩｎＰやＧａＡｓのような閃亜鉛構造を有する化合物半導体結晶の成長過程では、（１１１）ファセット面が現れ、このファセット面から双晶が発生することが知られている。成長面である（１００）面と（１１１）面のなす角が５４．７°であることから、結晶増大部の内面の角度を水平方向に対して５４．７°よりも十分に大きくすることで、（１１１）ファセット面の発生を抑制することができる。しかし、この場合には結晶増大部の長さが長くなり、生産性が悪くなってしまう。
【０００６】
そこで、結晶増大部の内面の角度を水平方向に対して０°から１０°とし、結晶成長方向の温度勾配を１℃／ｃｍ以上５℃／ｃｍ未満となるように制御することが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−８７３９２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、この手法においても、結晶増大部における双晶の発生をある程度減少させることができても、十分に抑制することは困難であった。
また、得られるインゴットは円柱状であるため、それをスライスしたウエハは円形のウエハとなる。ＩＣ，ＬＥＤや太陽電池等の半導体チップは、それぞれ大きさに差異はあるものの、全て四角形の形状である。そのため、円形ウエハ上に形成した四角形の半導体チップをダイシング等により切り出すと、ウエハ周辺部は未使用領域となり、ウエハからのチップ収率が悪いという問題が生じていた。特に、太陽電池等のチップサイズの大きいデバイスの場合には、周辺ロスが極めて大きくなってしまい、チップ収率が極端に悪くなっていた。
【０００９】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、結晶の持つ特有の現象や規則性を考慮した最適な結晶成長容器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る縦型ボート法により、閃亜鉛構造またはダイヤモンド構造を有する半導体結晶を成長させるための半導体結晶成長容器は、種結晶を設置する細管部と、上記種結晶を結晶成長軸方向及び当該結晶成長軸方向と垂直な面内で増大させる結晶増大部と、上記結晶増大部において増大させた結晶を、結晶成長軸方向に成長させる直胴部である結晶成長部と、を備え、上記結晶増大部および上記結晶成長部の結晶成長軸方向に直交する断面形状は四角形であり、上記結晶増大部の内壁角度が、結晶成長軸方向に対して３５．３°であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体結晶成長容器は、結晶の持つ特有の現象や規則性を考慮した最適な形状を有することにより、転移や双晶の発生を抑制するとともに、ウエハ利用率が高い四角形形状のウエハを得られる角柱状のインゴットを作製可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る半導体結晶成長容器の斜視図である。
【図２】本発明に係る半導体結晶成長装置の断面図である。
【図３】本発明に係る半導体結晶成長容器を用いて得られる結晶の面方位を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体結晶成長容器の効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
本発明に係る半導体結晶成長装置、特に半導体結晶成長容器に関して、以下において図を用いて説明する。なお、以下においては良好な一例を示すものであり、結晶容器の寸法等の具体的な構成に関して、本発明は以下に示す一例に限定されるものではない。
【００１４】
まず、図１を用いて、本発明に係る半導体結晶成長容器１の構成について説明する。
半導体結晶成長容器１は、半導体結晶の種結晶を設置する細管部２、種結晶を徐々に太らせるための結晶増大部３、太らせた結晶を一定の形状で成長させるための結晶成長部４を有している。
【００１５】
細管部２は、種結晶を配置する部位であり、断面が方形の形状を有し、ここでは１辺が１０ｍｍの正方形形状としたが、断面形状や深さは、配置する種結晶の大きさによって最適化すれば良い。
【００１６】
結晶増大部３は、その内壁が水平方向に対して５４．７°の角度を持つ四角推の形状を有している。小さな種結晶は、この結晶増大部において大きな断面を持つ結晶に成長する。
【００１７】
結晶成長部４は、結晶増大部３から垂直に立ち上がった四角柱の形状を有している。ここでは、一片が５５ｍｍの正方形の断面を持ち、長さは３００ｍｍである。
【００１８】
図２は、この半導体結晶成長容器１を備えた半導体結晶成長装置の断面形状であり、結晶成長容器１を取り囲むように環状の複数のヒーター５ａ、５ｂおよび５ｃを有している。環状のヒーターの数は３つに限ることは無く、２つあるいは４つ以上であっても良い。それぞれのヒーターは独立に制御可能であり、複数のヒーターによって、結晶成長方向（ａ軸方向）に沿って、半導体結晶成長容器１に所望の温度勾配を与えることができる。
【００１９】
次に、この半導体結晶成長装置を用いて、縦型ボート法により結晶成長を行う際の具体的な動作について説明する。一例として、ＧａＡｓ結晶をＶＧＦ法およびＶＢ法により、結晶成長させる動作について、以下に説明する。
まず、結晶成長容器の細管部２に（１００）面を上面にしたＧａＡｓ種結晶を設置し、その上にＧａＡｓの結晶成長ソースを設置する。種結晶及び結晶成長ソースを設置した結晶成長容器に、種結晶がＧａＡｓ結晶の融点より低い温度に、また結晶成長ソースが融点より高い温度になるように、環状の複数のヒーター５ａ、５ｂおよび５ｃにより、図２のａ軸に沿った温度勾配を与える。
【００２０】
この状態から、ＶＧＦ法の場合には温度勾配を保ったまま、全体の温度をゆっくりと引き下げる。また、ＶＢ法の場合は、結晶成長炉をゆっくりと移動する。このようにすることで、ＧａＡｓ結晶の融点温度となる位置が、徐々にａ軸に沿って上昇し、結晶増大部３において、その内壁に沿った形にＧａＡｓ結晶を徐々に成長させる。
したがって、本発明に係る結晶成長容器１内で成長した結晶は、結晶増大部３において結晶増大部３の形状で拡大する。そして、結晶成長部４においては、四角柱の形状、すなわち、一定の断面形状で成長する。
【００２１】
次に、図３を用いて、結晶が成長する際の面方位について説明する。
まず、（１００）面が結晶成長方向であるａ軸に垂直となるように、種結晶を細管部２に設置する。この種結晶は結晶増大部３で、（―１１１）（―１―１１）（―１−１−１）及び（―１１−１）面を形成しながら四角錐状に成長してゆく。
【００２２】
そして、結晶化部分が結晶増大部３と結晶成長部４の境界にまで達すると、結晶成長部４の内壁に沿って垂直に立ち上がる。結晶増大部３で形成された｛１１１｝面から、結晶成長部４において垂直に立ち上がった４つの面は、全て｛１１０｝面である。すなわち、（−１１１）面は（０１１）面に、（−１−１１）面は（０−１１）面に、（−１−１−１）面は（０−１−１）面に、そして、（−１１−１）面は（０１−１）面に立ち上がる。この様に、結晶成長部４ではこれら｛１１０｝面を側面にし、且つ種結晶の（１００）面を成長方向であるａ軸に垂直となる面に保ちながら、＜１００＞方向であるａ軸方向に沿って四角柱状に成長する。
【００２３】
ＧａＡｓ等の閃亜鉛構造を有する化合物半導体結晶は、（１００）面と（１１１）面が５４．７°の角度を持っている。そのため、種結晶の＜１００＞方向を上に向けて設置し、＜１００＞方向に結晶成長させると、種結晶が結晶増大部３の側面に沿って｛１１１｝面を形成しながら増大する。この｛１１１｝面は、閃亜鉛構造を持つ化合物半導体結晶では他の面に比べて面形成がしやすいと言った特徴がある。
【００２４】
この様に、｛１１１｝面は安定して結晶成長面を形成する性質を有している。そのため、結晶増大部３の内壁の角度を水平方向に対して５４．７°に、すなわち結晶成長方向であるａ軸に対して３５．３°にすることで、結晶増大部３においては結晶学的に安定な｛１１１｝面を形成しながら、最も自然な形で種結晶を太らせることができる。その結果、従来の断面が円形状の容器に比べて、結晶成長途中での転移や双晶等の発生を抑制することが可能となり、転位密度（ＥＰＤ）が少なく、且つ単結晶化歩留の良い結晶が得られる。
【００２５】
さらに、｛１１１｝面から５４．７°の角度で垂直に立ち上がった面は、結晶のへき開面である｛１１０｝面を形成する。これら｛１１０｝面は他の側面と９０°で交差するため、結晶成長部４において形成された四角柱状の結晶の四面は｛１１０｝面のヘキ開面を形成する。すなわち、こうして形成された四角柱状の結晶から切り出したウエハは、表面が（１００）面であり、側面が｛１１０｝面を持つ四角形の形状となる。そのため、このウエハ上に四角形上のチップを形成し、そのチップを切り出す際にも、結晶のへき開方向に沿って切り出すことができるため、ウエハ周辺のロスが少なくチップ収率が高いといった効果も生じる。
【００２６】
ここで、本発明に係る半導体結晶容器１を用いて得られる四角形状のウエハを用いて、半導体デバイスを作製した際の効果について、円形形状のウエハを用いた場合と比較して、具体的に説明する。
【００２７】
集積回路やＬＥＤ，あるいは太陽電池といった半導体チップは、それぞれ大きさに差異があるものの、いずれの半導体チップも四角形のチップ形状を有している。そのため、円形形状のウエハからチップを切り出すと、ウエハ周辺にチップが無い未使用領域が生じ、ウエハからのチップ収率が小さくなるとい問題があった。特に、太陽電池や大型の集積回路等のチップサイズが大きいデバイスの場合、ウエハ周辺部の未使用領域の割合が大きくなり、チップ収率が極端に悪化する。
【００２８】
図４は、チップ収率に関して、（ａ）四角形状のウエハを用いた場合と、（ｂ）円形形状のウエハを用いた場合とを定量的に比較するための説明図である。
本発明に係る半導体結晶成長容器１を用いて得られるウエハの大きさは、一辺が５５ｍｍの正方形である。このウエハ１０上に５０ｍｍ角の太陽電池セル１１を形成した場合、チップ収率は、その面積比から８２．６％となる。未使用領域１２は、ウエハ１０の面積に対して、１７．４％にすぎない。
【００２９】
一方、従来の結晶成長容器で円柱状に結晶成長したインゴットから切り出した３インチ径の円形形状のウエハ２０上に５０ｍｍ角の太陽電池セル２１を形成した場合、チップ収率は、その面積比から５４．８％となる。未使用領域２２は、ウエハ２０の面積に対して、４５．２％にも達する。
このように、太陽電池等の大型のチップサイズを有する半導体チップを作製するに際しては、本発明に係る半導体結晶成長容器１を用いて結晶成長を行うことで、チップ収率を大きく向上させることが可能となり、ＧａＡｓといった高価な基板を有効に活用できるため、デバイスのコストを大幅に引き下げることができる。
【００３０】
なお、本発明の結晶成長容器は、図１等に示すように、容器の角に丸みを付けていないが、容器の大きさにより丸み（Ｒ）を付けてもよい。
また、本実施の形態においては、一例としてＧａＡｓ結晶について説明したが、本発明に係る結晶成長容器１は、ＩｎＰやＧａＰ等の閃亜鉛構造を持つ結晶の成長についても同様に適用することができる。
【００３１】
さらに、構成元素の数に違いがあるが、閃亜鉛構造と同様の構造を持つＳｉやＧｅといったダイヤモンド構造の結晶の成長に結晶成長容器１を用いた場合にも、同様の効果を有する。
なお、Ｓｉ太陽電池に広く用いられている角型多結晶基板は、キャスト法で作られているが、結晶の純度が悪いことや、多結晶の粒径が小さいといった問題がある。本発明による半導体結晶成長容器１を用いて、比較的早い成長速度で結晶成長を行えば、安価でしかもキャスト法より結晶性の良い多結晶角型ウエハを作ることも可能である。
【００３２】
このように、単結晶化歩留の良い結晶が得られるという本発明の特長に敢えて拘らずに、結晶成長速度を早くするなどの方法により、Ｓｉ太陽電池に適した多結晶の角型ウエハを安価に提供することも可能である。
【００３３】
以上に開示したように、本発明に係る半導体結晶成長容器は、閃亜鉛構造およびダイヤモンド構造を有する結晶の結晶構造や結晶成長の際の特徴を考慮した形状を有することで、以下の効果を有する。
第一に、結晶成長時の双晶の発生を抑制し、転位密度が少なく、且つ単結晶化歩留の良い結晶が得られる。
【００３４】
第二に、四角形状のウエハが得られるため、円形形状のウエハを用いる場合に比較して、半導体チップのチップ収率を大幅に向上することができる。特に、太陽電池等の大型のチップサイズを有するデバイスにおいては、顕著なチップ収率の向上が可能である。
また、チップを切り出す際に、結晶のへき開方向に沿って切り出すことができることも、チップ収率の向上に貢献する。
特に、ＧａＡｓ等の化合物半導体ウエハは高価であり、チップ収率の向上は、デバイスの大幅なコスト低減効果を生じる。
【００３５】
第三に、上記第一の効果に拘らずに、結晶成長速度を早くするなどの方法により、Ｓｉ太陽電池等に適した多結晶の角型ウエハを安価に提供することも可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  結晶成長容器
２  細管部
３  結晶増大部
４  結晶成長部
５ａ、５ｂ、５ｃ  ヒーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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