(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のヒータが軸方向に多段に積層されてなる円筒型加熱炉を備えた結晶成長装置において、隣接するヒータの端子部が該加熱炉の軸方向からみて同一位置に重ならず互いに離れた位置にあるように各ヒータが配置されてなることを特徴とする結晶成長装置。
【請求項２】
前記ヒータの数が２個である場合に端子がほぼ対向した位置にあるように各ヒータが配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記ヒータの数がＮ個（Ｎは３以上の正の整数）である場合に前記ヒータの端子部が該加熱炉の軸方向からみて正ｎ角形（ｎは３≦ｎ≦Ｎを満たす整数）の各頂点に位置するように各ヒータが配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載の構成を有する上段ヒータ部と、原料を入れたルツボを封入される耐熱容器に連通されたリザーバ部を加熱する下段ヒータ部とからなる加熱炉を備えてなることを特徴とする化合物半導体の結晶成長装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３に記載の結晶成長装置を用いた単結晶の成長方法であって、原料を入れた耐熱容器を前記加熱炉内に配置し、ヒータを制御して加熱炉内を所定の温度分布にするとともに耐熱容器が融点以上となるように加熱して原料を溶融した後、前記温度分布を保ちつつ加熱炉の温度を徐々に下げて単結晶を成長させることを特徴とする単結晶の製造方法。
【請求項６】
請求項４に記載の結晶成長装置を用いた化合物半導体単結晶の成長方法であって、化合物半導体の原料を入れたルツボをリザーバ部を有する石英アンプル内に配置するとともに該石英アンプルのリザーバ部に前記化合物半導体の構成元素のうち少なくとも１種類の揮発性元素よりなる単体または化合物を入れ、該石英アンプルを前記ルツボが上段ヒータ部の内側に、また前記リザーバ部が下段ヒータ部の内側に来るように前記加熱炉内に配置し、前記上段ヒータ部を制御して加熱炉内を所定の温度分布にするとともに前記耐熱容器を前記原料の融点以上に加熱して前記化合物半導体の原料を溶融した後、前記下段ヒータ部で前記リザーバ部を加熱して前記揮発性元素を蒸発させてその蒸気圧により石英アンプル内の圧力を制御するとともに、前記温度分布を保ちつつ加熱炉の温度を徐々に下げて結晶を成長させることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多段型ヒータを有する加熱炉を備えた結晶成長装置に関し、特に精密な温度制御を要する化合物半導体の結晶成長装置およびそれを用いた結晶成長方法に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、化合物半導体単結晶の成長方法として、垂直グラジェント・フリージング（ＶＧＦ）法、垂直ブリッジマン（ＶＢ）法、水平グラジェント・フリージング（ＨＧＦ）法、水平ブリッジマン（ＨＢ）法などが知られている。これらの方法では成長炉内の温度勾配を利用して化合物半導体単結晶を成長させている。
【０００３】
かかる成長方法を適用した結晶成長装置においては、所望の温度勾配を実現するため、多段型ヒータを有する加熱炉が用いられることがある。多段型ヒータを有する加熱炉を用いた発明としては、例えば、国際公開番号ＷＯ９５／２２６４３号公報に記載の発明がある。この発明においては、ＶＧＦ法を利用して、原料融液に対応する石英アンプル外壁近傍における垂直方向の第１の温度勾配が、ルツボの上端よりも上方における垂直方向の第２の温度勾配より小さくなるように加熱炉内の温度分布を制御しながら、加熱炉内の温度を徐々に下げて原料融液表面から下方に向かって結晶を成長させるようにしている。
【０００４】
また、前記先願においては、前記温度勾配を正確に制御するために、少なくとも６つの加熱手段（ヒータ）からなる加熱炉を備えた結晶成長装置が提案されている。
【０００５】
該結晶成長装置の概略断面図を図５に示す。図５において、結晶成長装置１００は、上段ヒータ部１０１〜１０４および下段ヒータ部１０５〜１０７からなる加熱炉１１０と、各ヒータへの電力量を制御して炉内温度分布等を制御する制御装置と、電源装置とで構成され、前記加熱炉１１０内に原料１１３の入ったｐＢＮ製のルツボ１１２を封入されたリザーバ部１１１Ａを有する石英アンプル１１１が配置されている。加熱炉１１０は、ルツボ１１２に対応する位置を加熱して第１の温度勾配を制御するヒータ１０１と、ルツボ１１２の上端よりも上方の空間を加熱して第２の温度勾配を制御するヒータ１０２と、前記リザーバ部１１１Ａを加熱して蒸気圧を制御するヒータ１０６と、炉内温度分布に対する外乱の影響を抑制するヒータ１０１，１０７と、前記ヒータ１０３と前記ヒータ１０６との相互の影響を抑制するヒータ１０４，１０５とで構成されている。
【０００６】
この結晶成長装置によれば、ヒータを多段型としているため、第１の温度勾配および第２の温度勾配を極めて良好に制御することができ、単結晶基板の収率を飛躍的に向上させることができるという利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した多段型ヒータを有する結晶成長装置を用いた化合物半導体単結晶の成長では、単結晶基板の収率を向上させることはできるが、得られたウェーハの面内のドーパント（不純物）濃度に着目すると、面内で少なくとも測定誤差以上のばらつきがあることが実験によって判明した。
【０００８】
そこで本発明者は、その原因について鋭意研究を重ね、上述した結晶成長装置を用いて結晶を成長させる際、結晶周囲の温度分布を同一水平面内で円周方向に沿って測定したところ、一箇所だけ他と比較して明らかに低くなっていた。そして、その温度分布とウェーハの面内ドーパント濃度分布とを比較したところ、温度分布と面内ドーパント濃度分布とが対応していることに気づいた。これより、加熱炉の面内温度分布が均一でないために結晶の固化過程が同一面内でずれてしまい、その結果ウェーハの面内ドーパント濃度のばらつきが発生しているとの結論に達した。
【０００９】
しかも、炉内の面内温度分布において、温度が低くなっている部位はヒータの端子の位置に対応していることを見いだした。このことから、炉内の面内温度分布が均一にならないのは、ヒータの端子部からの放熱が原因であることが判明した。図６に、図５の上段ヒータ部１０１〜１０４の斜視図を示す。ヒータと電源装置または制御装置とは配線を介して接続されているが、従来の結晶成長装置では、各ヒータから取り出される端子部１０１ａ〜１０４ａは配線しやすいように、常に加熱炉の軸方向から見て円周上の同一箇所に配置されていた。この場合、端子部からの放熱があるためその付近の炉内温度が若干低下してしまい、炉内の同一水平面内の温度分布が微妙にばらついていたのである。
【００１０】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので、炉内の同一水平面内の温度分布を均一に制御できる加熱炉を備えた結晶成長装置並びに該結晶成長装置を用いた単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、多段型のヒータで構成される円筒型加熱炉を備えた結晶成長装置において、各ヒータから取り出される端子部が一カ所に偏らないようにすることにより、加熱炉内の面内温度分布を均一にするようにした。
【００１２】
具体的には、前記ヒータの数が２個である場合に端子がほぼ対向した位置にあるように各ヒータが配置するようにした。また、前記ヒータの数がＮ個（Ｎは３以上の正の整数）である場合には、前記ヒータの端子部が該加熱炉の軸方向からみて正ｎ角形（ｎは３≦ｎ≦Ｎを満たす整数）の各頂点に位置するように各ヒータを配置するようにした。これにより、端子部からの放熱が一カ所に偏らなくなるため、加熱炉内の面内温度分を均一にすることができる。
【００１３】
前記結晶成長装置を用いて単結晶を成長させるには、例えば、原料を入れた耐熱容器を前記結晶成長装置の加熱炉部分に配置し、ヒータを制御して炉内を所定の温度分布にするとともに耐熱容器部分が原料の融点以上となるように加熱して原料を溶融した後、前記温度分布を保ちつつ加熱炉の温度を徐々に下げて結晶を成長させるとよい。これにより、得られるウェーハの面内ドーパント濃度の均一性を大幅に改善することができる。
【００１４】
また、加熱炉が化合物半導体の原料を入れたルツボ部を加熱する上段ヒータ部と、該ルツボを封入する石英アンプルと連通されたリザーバ部を加熱する下段ヒータ部とから構成されてなる化合物半導体の結晶成長装置において、前記上段ヒータ部をＮ個のヒータが軸方向に多段に積層されてなる構成とし、該加熱炉の軸方向からみて前記上段ヒータ部の各ヒータの端子部が正Ｎ角形の各頂点に位置するように各ヒータを配置するとよい。さらに、前記上段ヒータ部の各ヒータの端子部が加熱炉の外周に沿って螺旋を描くように各ヒータを配置するようにしてもよい。これにより、上段ヒータ部で原料部の面内温度分布を均一に保つことができるだけでなく、下段ヒータ部でリザーバ部を加熱してリザーバ部内に配置された揮発性元素を蒸発させその蒸気圧により密閉容器内の圧力を制御するとともに易揮発性成分の揮発により結晶中に点欠陥が発生するのを防止することもできる。
【００１５】
前記上段ヒータ部と下段ヒータ部とからなる円筒型加熱炉を備えた結晶成長装置を用いて化合物半導体単結晶を成長させるには、例えば化合物半導体の原料を入れたルツボをリザーバ部を有する石英アンプル内に配置するとともに、該石英アンプルのリザーバ部に前記化合物半導体の構成元素のうち少なくとも１種類の揮発性元素よりなる単体または化合物を入れ、該石英アンプルを前記ルツボが前記上段ヒータ部の内側に、また前記リザーバ部が前記下段ヒータの内側に来るように前記結晶成長装置内に配置し、前記上段ヒータ部を制御して炉内を所定の温度分布にするとともに前記ルツボ部分を前記原料の融点以上に加熱して前記化合物半導体の原料を溶融した後、前記下段ヒータ部でリザーバ部を加熱して前記揮発性元素を蒸発させてその蒸気圧により前記石英アンプル内の圧力を制御するとともに、前記温度分布を保ちつつ前記加熱炉内の温度を徐々に下げて結晶を成長させるとよい。これにより、化合物半導体単結晶の製造において、得られた半導体ウェーハの面内ドーパント濃度の均一性を大幅に改善できるとともに、易揮発性成分の揮発により結晶中に点欠陥が発生するのを防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
本実施形態の結晶成長装置は、図５に示した結晶成長装置とほとんど同じで、加熱炉１１０の上段ヒータ部の構造のみが異なる。図１は、本実施形態の加熱炉の上段ヒータ部の概略図で、（Ａ）が斜視図、（Ｂ）が上面図である。本実施形態の加熱炉１１０の上段ヒータ部は、４つのヒータ１０１〜１０４で構成されており、各ヒータ１０１〜１０４の端子部１０１ａ〜１０４ａが加熱炉１１０の軸方向Ｚから見て正方形の各頂点に位置するように各ヒータ１０１〜１０４が配置されている。しかも、本実施形態では、各ヒータ１０１〜１０４の端子部１０１ａ〜１０４ａが、２段目のヒータ１０２はその端子部１０２ａが１段目のヒータ１０１の端子部１０１ａと１８０°ずれた位置に、３段目のヒータ１０３はその端子部１０３ａが２段目のヒータ１０２の端子部１０２ａと９０°ずれた位置に、４段目のヒータ１０４はその端子部１０４ａが３段目のヒータ１０３の端子部１０３ａと１８０°ずれた位置にそれぞれくるように配置されている。本実施形態のように、上下に隣接するヒータの端子位置はなるべく近づけないような構造とするのが望ましい。
【００１８】
以上が本実施形態に係る結晶成長装置の構成、主に加熱炉の上段ヒータ部の構成である。上述した結晶成長装置によると加熱炉内の面内温度分布を均一にすることができる。例えば、加熱炉を約１１０７℃に加熱したときの温度分布を、４つの熱電対により測定した結果を図２に示す。ここで、熱電対は図３に示すように同一水平面にて正方形の頂点に位置するように石英アンプル周囲に配置されている。本実施形態の加熱炉内の温度分布は図２に白丸○で表されており、最も低い部分で１１０６．８℃（位置１）、最も高い部分で１１０７．８℃（位置３）であり温度差は１℃程度であった。これに対して、従来のヒータ構造をした加熱炉内の面内温度分布は黒丸●で表され、最も低い部分で１１０５．０℃（位置４）、最も高い部分で１１０７．５℃（位置３）であり温度差は２．５℃であった。従来の加熱炉では一カ所（位置４）の温度だけが極端に低くなっていたが、ヒータの端子位置を本実施形態のようにすることにより改善され、加熱炉内の面内温度分布が均一化されたことがわかる。
【００１９】
次に、一例として、前記結晶成長装置を用いてＶＧＦ法によりＣｄＺｎＴｅ単結晶を成長させる場合について説明する。
【００２０】
まず、石英アンプル１１１のリザーバ部１１１Ａに易揮発性元素であるＣｄ単体１１４を入れるとともに、ＣｄＺｎＴｅ原料１１３をルツボ１１２に入れて石英アンプル１１１内に配置し、石英アンプル１１１を真空封止した後、該石英アンプルを結晶成長装置内の所定の位置に設置した。そして、上段ヒータ１０１〜１０４でルツボ上方の軸方向の温度勾配が２〜３℃／ｃｍ、ルツボ部の軸方向の温度勾配が２〜３℃／ｃｍとなるように温度制御するとともに、ＣｄＺｎＴｅ原料１１３の融点（１０９２℃）よりも若干温度が高くなるようにルツボを加熱してＣｄＺｎＴｅ原料を溶融し、下段ヒータ１０５〜１０７で約７８０℃にリザーバ部１０１ＡのＣｄ１１５を加熱して蒸発させ蒸気圧制御を行った。このとき、ＣｄＺｎＴｅ原料融液１１３中の初期Ｚｎ濃度は４．２％とした。その後、石英アンプル内の圧力を制御するとともに、前記２つの温度勾配を保ちつつ加熱炉内を０．１℃／ｈｒで徐々に冷却して、直径４インチのＣｄＺｎＴｅ単結晶を成長させた。
【００２１】
その得られたＣｄＺｎＴｅ単結晶をスライスしてＣｄＺｎＴｅウェーハとし、固化率ｇ＝０．３付近のウェーハについて表面のＺｎ濃度をダイオードアレイ型の分光器ＭＭＳ１（（株）スペクトラ・コープ製）により測定した。その結果を図４（Ａ）にマッピングデータで示す。ウェーハの大部分（５８／６６）でＺｎ濃度は４．８〜５．３％であり、均一性のよい単結晶となっていることがわかる。
【００２２】
（比較例）
加熱炉１１０の上段ヒータ部が図６に示す構造となっている従来の結晶成長装置を用いて、同様にＣｄＺｎＴｅ単結晶を成長させ、本実施形態の結晶成長炉を用いた場合と比較した。
【００２３】
得られたＣｄＺｎＴｅ単結晶をスライスしてＣｄＺｎＴｅウェーハとし、固化率ｇ＝０．５付近のウェーハについて表面のＺｎ濃度をダイオードアレイ型の分光器ＭＭＳ１により測定した結果を図４（Ｂ）にマッピングデータで示す。ウェーハの大部分（５２／６６）でＺｎ濃度は４．０〜４．５％であるが、ウェーハ周辺部分ではＺｎ濃度が低下し、図の左下部分においては極端にＺｎ濃度が低く２．５〜３．０％となっており、均一性に優れているとはいえない。
【００２４】
以上のことから、本実施形態の結晶成長装置を用いることにより、結晶成長過程における炉内の面内温度分布の均一性は大幅に改善され、得られるＣｄＺｎＴｅ単結晶の面内ドーパント濃度を均一にできることが分かる。
【００２５】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。
【００２６】
例えば、本実施形態ではＶＧＦ法によるＣｄＺｎＴｅ単結晶の成長について説明したが、ＶＢ法、ＨＧＦ法、ＨＢ法に適用することもできるし、成長させる化合物はＣｄＺｎＴｅに制限されない。
【００２７】
さらに、本実施形態では上段ヒータ部が４段のヒータからなる加熱炉を用いたが、多段型ヒータからなる加熱炉であれば本発明を適用することができ、例えば上段ヒータ部が２段や３段のヒータあるいは５段以上のヒータで構成されるようにしてもよい。ヒータが２段の場合には、対向する位置すなわち１８０°離れた位置に端子部が来るようにヒータを配置するのが最も望ましい。また、３段以上のヒータで構成される場合にも各ヒータの端子部が加熱炉の軸方向から見たとき正多角形の各頂点に位置するように各ヒータを配置、すなわち、上段ヒータ部がＮ個（Ｎは３以上の正の整数）のヒータからなる場合、各ヒータの端子部が加熱炉の軸方向から見たとき正ｎ角形（ｎは３≦ｎ≦Ｎを満たす整数）の各頂点に配置されるようにすればよい。例えば、上段ヒータ部が８個のヒータからなる場合、各ヒータの端子部は加熱炉の軸方向から見て正８角形の各頂点に配置されてよいのはいうまでもなく、正５角形や正６角形の各頂点に配置されてもよい。正５角形の頂点に配置される場合には５つの頂点のうち３頂点に２つの端子部が重複して配置され、正６角形の頂点に配置される場合には６つの頂点のうち２頂点に２つの端子部が重複して配置されることになる。このように上段ヒータ部がＮ個のヒータで構成される場合に、Ｎよりも小さい正ｎ角形の頂点に各ヒータの端子部がくるようにしても、従来方式に比較して炉内の面内温度分布を均一にできる。ただし、その場合にも、同一頂点に端子部が配置されるヒータは隣接しているものを避け、互いに離れているもの同士を選択する。さらに、端子部の位置は、厳密に正多角形の頂点に設定される必要はなく、それに近い位置であればよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、加熱炉内の面内温度分布を均一にすることができ、面内ドーパント濃度が均一な単結晶を製造することができる。また、上段ヒータ部及び下段ヒータ部を有する加熱炉を備えた結晶成長装置内にリザーバ部を有する石英アンプルを配置して化合物半導体単結晶を成長させる際に本発明を適用すれば、易揮発性成分の揮発により結晶中に点欠陥が発生するのを防止しつつ、面内ドーパント濃度が均一な結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の加熱炉の上段ヒータ部の概略を示す斜視図及び上面図である。
【図２】加熱炉内の面内温度分布を示すグラフである。
【図３】熱電対の設置位置を示す加熱炉内の上面図である。
【図４】半導体ウェーハの面内Ｚｎ濃度を示すマッピングデータである。
【図５】従来の結晶成長装置の概略を示す断面図である。
【図６】従来の加熱炉の上段ヒータ部の概略を示す斜視図である。
【符号の説明】
１００  結晶成長装置
１１０  加熱炉
１０１〜１０４  上段ヒータ
１０１ａ〜１０４ａ  端子部
Ｚ  加熱炉の軸方向
【図１】
0003595977.tif 000002
【図２】
0003595977.tif 000003
【図３】
0003595977.tif 000004
【図４】
0003595977.tif 000005
【図５】
0003595977.tif 000006
【図６】
0003595977.tif 000007