(57)【要約】【課題】  炉内上部のガス対流の影響によるメインヒーターの加熱変動を抑止し、三酸化硼素とＧａＡｓ融液との間にある気泡を取り込まない半導体単結晶製造装置及び製造方法を提供する。【解決手段】  チャンバー９内に設けられた坩堝７と、坩堝７の外周に配置されたメインヒーター５と、坩堝７の下方に配置されたサブヒーター６と、メインヒーター５を制御するためのメインヒーター熱電対１１とを備えたＬＥＣ法による半導体単結晶製造装置１において、メインヒーター５の長さをＡとし、メインヒーター５の最下部からメインヒーター熱電対１１までの取り付け位置の距離をａとしたとき、上記距離ａの範囲が下式（１）  ０≦ａ≦１／４ × Ａ            ・・・（１）を満たすことを特徴とする半導体単結晶製造装置１及び製造方法である。【選択図】  図１
2006219310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に設けられた坩堝と、該坩堝の外周に配置されたメインヒーターと、上記坩堝の下方に配置されたサブヒーターと、上記メインヒーターを制御するためのメインヒーター熱電対とを備えたＬＥＣ法による半導体単結晶製造装置において、上記メインヒーターの長さをＡとし、上記メインヒーターの最下部からメインヒーター熱電対までの取り付け位置の距離をａとしたとき、上記距離ａの範囲が下式（１）
０≦ａ≦１／４ × Ａ            ・・・（１）
を満たすことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
【請求項２】
上記チャンバー内に、チャンバー内の対流を抑え熱を遮断するための空間仕切壁が設けられた請求項１記載の半導体単結晶製造装置。
【請求項３】
チャンバー内に坩堝を設け、該坩堝の外周にメインヒーターを配置し、上記坩堝の下方にサブヒーターを配置し、上記メインヒーターを制御するためのメインヒーター熱電対を配置したＬＥＣ法による半導体単結晶製造方法において、上記メインヒーターの長さをＡとし、上記メインヒーターの最下部からメインヒーター熱電対までの取り付け位置の距離をａとしたとき、上記距離ａの範囲が下式（１）
０≦ａ≦１／４ × Ａ            ・・・（１）
を満たすことを特徴とする半導体単結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＣ（Liquid Encapsulated Czochralski：液体封止引き上げ）法による半導体単結晶製造装置及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体はその単結晶の高品質化により、高速集積回路、光−電子集積回路やその他の電子素子に広く用いられるようになってきた。なかでも、III−Ｖ族化合物半導体の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）は電子移動度がシリコンに比べて速く１０7Ω・ｃｍ以上の比抵抗のウェハが製造容易という特徴がある。現在では上記ＧａＡｓの単結晶は主に液体封止引き上げ法（ＬＥＣ法）により製造されている。
【０００３】
化合物半導体単結晶製造において、固液界面形状と単結晶歩留まりとは、固液界面が融液側に凹面形状の場合には、成長過程全般または成長の或る一定期間に関わらず、結晶欠陥であるリネージ、亜粒界が集積され易く、多結晶化し易いという関係にあり、当然ながら単結晶歩留まりは低くなる。
【０００４】
単結晶歩留まりを向上させるための大きな要因は、固液界面を成長過程全般に渡り融液側に凸形状に制御することである。固液界面を融液側に凸形状にするためには成長した結晶をより良く冷却し、結晶からの放熱量を大きくして凸形状にする必要があり、そのため炉内上部には冷却空間を設けてある。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１４３３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、炉内上部に冷却空間を設けているため、炉内上部のガス対流は炉内下部と比較して大きい。炉内を加熱するためのヒーターの温度を検知・制御している熱電対は、ガス対流による温度変動の影響を大きく受けて、ヒータの加熱温度が大きく変動し成長時の結晶直径及び固液界面を変動させ、炉内で三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）とＧａＡｓ融液の間にある気泡を取り込むことが分かっている。
【０００７】
特に、成長させる結晶径が１００ｍｍ以上の大口径結晶では、当然ながら固液界面は小口径結晶よりも増し、より気泡を取り込み易く結晶品質を悪くしており、炉内上部のガス対流による熱電対の温度変動が大きいという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶製造において、炉内上部のガス対流の影響によるメインヒーターの加熱変動を抑止し、三酸化硼素とＧａＡｓ融液との間にある気泡を取り込まない半導体単結晶製造装置及び製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、チャンバー内に設けられた坩堝と、該坩堝の外周に配置されたメインヒーターと、上記坩堝の下方に配置されたサブヒーターと、上記メインヒーターを制御するためのメインヒーター熱電対とを備えたＬＥＣ法による半導体単結晶製造装置において、上記メインヒーターの長さをＡとし、上記メインヒーターの最下部からメインヒーター熱電対までの取り付け位置の距離をａとしたとき、上記距離ａの範囲が下式（１）
０≦ａ≦１／４ × Ａ            ・・・（１）
を満たすことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
【００１０】
第２の発明は、上記チャンバー内に、チャンバー内の対流を抑え熱を遮断するための空間仕切壁が設けられたものである。
【００１１】
第３の発明は、チャンバー内に坩堝を設け、該坩堝の外周にメインヒーターを配置し、上記坩堝の下方にサブヒーターを配置し、上記メインヒーターを制御するためのメインヒーター熱電対を配置したＬＥＣ法による半導体単結晶製造方法において、上記メインヒーターの長さをＡとし、上記メインヒーターの最下部からメインヒーター熱電対までの取り付け位置の距離をａとしたとき、上記距離ａの範囲が下式（１）
０≦ａ≦１／４ × Ａ            ・・・（１）
を満たす半導体単結晶製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、炉内上部のガス対流の影響によるメインヒーターの加熱変動を抑止し、三酸化硼素とＧａＡｓ融液との間にある気泡を取り込まない半導体単結晶製造装置及び製造方法を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１４】
図１は、本発明の好適実施の形態である半導体単結晶製造装置を示す概略図である。
【００１５】
図示したようにＬＥＣ法による半導体単結晶製造装置１は、耐圧容器であるチャンバー９と、結晶を引き上げるための引上軸２１と、化合物半導体原料を収容する容器であるＰＢＮ製坩堝７と、ＰＢＮ製坩堝７を受けるための坩堝軸８と、ＰＢＮ製坩堝７の外周に配置されＰＢＮ製坩堝７を加熱するためのメインヒーター５と、ＰＢＮ製坩堝７を下方から加熱するためのサブヒーター６と、メインヒーターを制御するためのメインヒーター熱電対１１と、チャンバー９内の熱を遮断するための空間仕切壁１５ａ〜１５ｄと、チャンバー９に不活性ガスを圧力封入するためのＡｒガスボンベ２３と、ガスをチャンバー９内に導入するためのガス配管２４とを備えた構造となっている。
【００１６】
チャンバー９は、単結晶を製造するためにチャンバー９内を高温、高圧に保ち単結晶形成のための炉内空間を確保する例えば円筒形状の高強度の炉体容器であり、チャンバー９内に不活性ガスが封入される。
【００１７】
引上軸２１は、チャンバー９内を上下移動し回転自在となっていることで、ＰＢＮ製坩堝７から化合物半導体の単結晶３を引き出すことができる。
【００１８】
ＰＢＮ製坩堝７は、チャンバー９内のほぼ中央部に設けられ例えば円筒の部材に底部となる円板を組合せた形状をＰＢＮ（Pyrolytic Boron Nitride：熱分解窒化硼素）で一体形成された耐熱容器であり、坩堝内に溶融された化合物半導体であるＧａＡｓ融液１０ｓを収容して、その融液表面は液体封止剤である三酸化硼素４によりＧａＡｓ融液１０ｓが封止されている。
【００１９】
坩堝軸８は、ＰＢＮ製坩堝７を下方から支持し上下移動可能であると共に回転自在となっており、ＰＢＮ製坩堝７を所望の速度で引上軸２１と逆方向に回転させることができる。引上軸２１と坩堝軸８とは、互いに一直線上に設けられており、各々が回転軸となっている。
【００２０】
メインヒーター５は、上下に長い形状でありＰＢＮ製坩堝７を取り囲むようにＰＢＮ製坩堝７の側壁外周に配置され、通電することにより発熱しＰＢＮ製坩堝７を周囲から加熱する。サブヒーター６は、ＰＢＮ製坩堝７の下方に配置され、通電することにより発熱しＰＢＮ製坩堝７を加熱する。
【００２１】
メインヒーター熱電対１１は、メインヒーター５の下部近傍（（１）式参照）に配置されており、メインヒーター５の温度を検知してこの検知結果から、メインヒーター５の発熱温度すなわちＰＢＮ製坩堝７への加熱温度を制御するフィードバックのために設けられている。
【００２２】
メインヒーター５の上下の長さを図中に示すように長さＡとしたとき、メインヒーター熱電対１１の位置がメインヒーター５の再下部から上方に距離ａにあるとすると、長さＡと距離ａとが次の関係にあるとよい。
【００２３】
０≦ａ≦１／４ × Ａ            ・・・（１）
空間仕切壁１５ａは、ＰＢＮ坩堝７から引き上げられる単結晶３を囲うように単結晶３の外周に例えば円柱状に設けられ、空間仕切壁１５ａの下部は三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）４の直上まで下りており、空間仕切壁１５ａの上部は径方向外側に鍔状に張り出しており、メインヒーター５の発熱から単結晶３を遮断しており、空間仕切壁１５ｂは、メインヒーター５の上方に例えばドーナッツ状の円盤形状に設けられており、炉内上部の対流ガス１３の対流からメインヒーター５及びメインヒーター熱電対１１を遮断する。空間仕切壁１５ｃは、チャンバー９の側壁面に沿って内側に例えば円柱状に設けられ、メインヒーター５からの発熱をチャンバー９外部に逃げないように遮断するために設けられており、空間仕切壁１５ｄは、サブヒーター６の下方に例えばドーナッツ状の円盤形状に設けられており、サブヒーター６からの発熱をチャンバー９下方から外部に逃げないように遮断するために設けられており、空間仕切壁１５ａ〜１５ｄによりメインヒーター５及びサブヒーター６の発熱を効率的にＰＢＮ製坩堝７に伝えることができる。
【００２４】
次に結晶製造方法について説明する。
【００２５】
先ず原料の容器となるＰＢＮ製坩堝７に化合物半導体の原料であるＧａ、Ａｓ及び液体封止材である三酸化硼素４を入れ、これをチャンバー９内のＰＢＮ製坩堝７にセットする。又、引上軸２１の先端に単結晶を製造するために目的の方位（例えば（１００）面とする）を持った種結晶２を取り付ける。チャンバー９内に半導体の原料を収納したＰＢＮ製坩堝７をセットした後、チャンバー９内を真空にし、アルゴンなどの不活性ガスをガス配管２４を介してＡｒガスボンベ２３から充填する。その後、チャンバー９内に設置してあるメインヒーター５及びサブヒーター６に通電しチャンバー９内の温度を昇温させＰＢＮ製坩堝７を加熱して、化合物半導体の原料であるＧａ、Ａｓを溶融・合成し、ＧａＡｓ多結晶１０ｍを作成する。
【００２６】
更に、チャンバー９内の温度を昇温させＰＢＮ製坩堝７を加熱してＧａＡｓ多結晶１０ｍを融液化させ、ＧａＡｓ融液１０ｓとする。続いて、引上軸２１と、坩堝軸８とを互いに逆方向に回転させる。
【００２７】
この引上軸２１と坩堝軸８との相対的な回転状態で、引上軸２１の先端に取り付けられている種結晶２がＧａＡｓ融液１０ｓに接触するまで下降させ、メインヒーター５の設定温度を徐々に下げつつ引上軸２１を回転させながらゆっくりＰＢＮ製坩堝７から一定速度で引き上げることでＧａＡｓ化合物半導体の単結晶３を成長させることができる。
【００２８】
このとき、ＰＢＮ製坩堝７内においては、三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）４とＧａＡｓ融液１０ｓとの境界付近や、固液境界である単結晶３とＧａＡｓ融液１０ｓとの境界付近でそれぞれＧａＡｓ融液１０ｓ内に気泡１２が発生している。
【００２９】
この気泡１２が、化合物半導体単結晶形成時に単結晶の中に取り込まれると、結晶品質としては悪く、ウェハのための単結晶として供することは適当ではない。気泡１２が単結晶中に取り込まれ易い状況は、既に述べたように結晶成長時の結晶直径及び固液界面変動がガス対流１３の影響によって大きくなっている場合である。
【００３０】
このガス対流１３は、チャンバー９内に封入された不活性ガスにより起こり、特に炉内上部でのガス対流１３が著しく、これがメインヒーター熱電対１１の温度検知に大きく影響する。
【００３１】
そこで、この結晶直径及び固液界面変動の変動を抑えるため、メインヒーター熱電対１１をメインヒーター５の最下部から長さＡの１／４以下の距離ａの位置に配して三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）４とＧａＡｓ融液１０ｓ付近のメインヒーター５の加熱温度を検知してメインヒーター５の温度を制御すると共に、空間仕切壁１５ａ〜１５ｄによりメインヒーター５及びメインヒーター熱電対１１を炉内上部のガス対流１３から遮断することにより、炉内上部のガス対流１３による温度の影響を軽減する。
【００３２】
既に説明したようにメインヒーター熱電対１１の位置が、下式（１）を満たしている。
【００３３】
０≦ａ≦１／４ × Ａ                  （１）
この（１）式に示す位置にメインヒーター熱電対１１を設定するにより、メインヒーター熱電対１１が三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）４とＧａＡｓ融液１０ｓとの境界に近く境界面から下がった位置に配されて、メインヒーター５の温度検知の際に炉内上部のガス対流１３による影響が低減され、メインヒーター５が加熱しているＰＢＮ製坩堝７の特に三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）４とＧａＡｓ融液１０ｓとの境界付近への加熱温度が正確に検知でき、メインヒーター５の制御の際の温度変動が小さくなり、結晶成長時の結晶直径及び固液界面を変動させることのないようにできる。
【００３４】
また、空間仕切壁１５ａ〜１５ｄが、ガス対流１３を抑え対流による熱を遮断してメインヒータ５及びメインヒーター熱電対１１に対して影響を与えないように設けられており、メインヒーター５の温度制御の際の変動が小さくなり、結晶成長時の結晶直径及び固液界面を変動させることのないようにできる。
【００３５】
すなわち、図中チャンバー９内の空間ｚ１では、低温のガス対流１３が発生しており、空間仕切壁１５ａ〜１５ｃの遮蔽によってこのガス対流１３は空間ｚ２には殆ど流れない。空間ｚ２は、メインヒーター５の上部の発熱と空間仕切壁１５ａ〜１５ｃの遮蔽により、空間ｚ２の占める雰囲気がほぼ均一かつ一定の温度になっており、空間ｚ３は、メインヒーター５の下部及びサブヒーター６の発熱により、空間ｚ３がほぼ均一かつ一定の温度になっている。空間ｚ４は、メインヒーター５の下部の発熱と空間仕切壁１５ｃの遮蔽により、空間ｚ４の占める雰囲気がほぼ均一かつ一定の温度になっている。
【００３６】
仮に、空間仕切壁１５ａ〜１５ｄの隙間などからガス対流１３の一部が例えば空間ｚ２に流れ込んだ場合でも、メインヒーター５の上部からの加熱により空間ｚ２を占めるガスと均一になったり、空間ｚ２から空間ｚ３の方に下降しようとしても空間ｚ３に占める高温のガスにより阻まれて下降できず、この状態でもメインヒーター５の上部からの加熱により空間ｚ２を占めるガスと均一になる。このようにして空間ｚ３、ｚ４付近のガス対流が抑えられ雰囲気が均一になり温度の変動が抑えられるため、単結晶成長時に気泡１２が単結晶の中に取り込まれることが無くなり、結晶品質として良好であり、ウェハのための単結晶として歩留まり良く製造できる。
【００３７】
図２は、本実施の形態による結晶径６インチ（１５２．４ｍｍ）の化合物半導体単結晶製造における気泡発生率を示す特性図である。
【００３８】
図中横軸は、メインヒーター熱電対１１の位置である距離ａ（単位：ｍｍ）を示し、縦軸はＰＢＮ製坩堝７内における気泡発生率（％）を示す。ここで、メインヒーター５は、長さＡ＝３００ｍｍのものを用いてＰＢＮ製坩堝７を加熱した。
【００３９】
図から分かるように、距離ａの値がメインヒーター熱電対１１の長さＡの１／４以下すなわち距離ａが０〜７５ｍｍのときは、気泡発生率は０％であり結晶内部に気泡が無い高品質のＧａＡｓ単結晶を得ることができる。
【００４０】
ところが、距離ａの値がメインヒーター熱電対１１の長さＡの１／４以上すなわち７５ｍｍ以上になると、気泡発生率は急激に悪化する。例えば距離ａ＝１２０ｍｍのときには気泡発生率３０％であり、距離ａ＝１８０ｍｍのときには気泡発生率４０％であり、距離ａ＝２５０ｍｍのときには気泡発生率７０％に上昇する。
【００４１】
これは、既に説明したように炉内上部のガス対流１３による温度変動がメインヒーター熱電対１１の温度検知に影響して、メインヒーター５の加熱の変動により結晶成長時の結晶直径及び固液界面の変動により気泡を取り込み易い状態となっていることによる。
【００４２】
これに対して、距離ａの値がメインヒーター熱電対１１の長さＡの１／４以下のときは、気泡１２の発生は完全に抑制され結晶内部に気泡が無い単結晶を得ることができる。
【００４３】
以上説明したように、メインヒーターの長さＡ、メインヒーター熱電対１１のメインヒーター５の最下部からの距離ａとしたとき、距離ａの範囲が０≦ａ≦１／４ × Ａである場合には、化合物半導体の単結晶成長時に気泡の取り込みはないという優れた効果を発揮する。
【００４４】
また、チャンバー（炉）９内に、炉内上部のガス対流１３による熱の影響を防ぐために空間仕切壁１５ａ〜１５ｄを設けることにより、化合物半導体の単結晶成長時に気泡の取り込みはないという優れた効果を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、化合物半導体に限らずチャンバー内において単結晶を形成する製造工程などに広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態であるＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法を示す概略図である。
【図２】本実施の形態による気泡発生率を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  半導体単結晶製造装置
２  種結晶
３  単結晶
４  三酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）
５  メインヒーター
６  サブヒーター
７  ＰＢＮ製坩堝
８  坩堝軸
９  チャンバー
１０ｍ  ＧａＡｓ多結晶
１０ｓ  ＧａＡｓ融液
１１  メインヒーター熱電対
１２  気泡
１３  炉内上部のガス対流
１５ａ〜１５ｄ  空間仕切壁
２１  引上軸
２３  Ａｒガスボンベ
２４  ガス配管
ｚ１〜ｚ４  空間
【図１】
2006219310.tif 000003
【図２】
2006219310.tif 000004