(57)【要約】【課題】結晶欠陥密度を低減し、結晶成長の歩留まりを向上し、かつ材料のバルク特性が向上された単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族の径の大きな化合物の成長装置を提供する。    【解決手段】この装置はるつぼまたはボートと、るつぼまたはボートを収容するアンプルと、アンプルの周囲に配設された加熱ユニットと、加熱ユニットとアンプルとの間に配設されたライナーとを備えている。ライナーは好適には石英で構成される。ライナーとアンプルとが石英のような同じ材料で作られると、ライナーとアンプルとの熱膨張係数は等しくなり、それによりライナーの寿命と単結晶の歩留まりとが大幅に向上する。
2005519837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置であって、
るつぼと、
このるつぼを収容し、ある熱膨張係数を有するアンプルと、
このアンプルの周囲に配設された加熱ユニットと、
上記アンプルと上記加熱ユニットとの間に配設されて上記アンプルを取り囲むライナーであって、上記アンプルの熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を有する材料で構成されたライナーとを含む装置。
【請求項２】
上記ライナーを構成する材料が上記アンプルの熱伝導率と実質的に一致する熱伝導率を有する、請求項１記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項３】
上記ライナーを構成する材料が石英である、請求項１記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項４】
上記アンプルが石英で構成されている、請求項１記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項５】
上記ライナーの壁厚が約１ｍｍよりも大きい、請求項１記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項６】
上記ライナーの壁厚が約２ｍｍ〜８ｍｍの間である、請求項１記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項７】
単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置であって、
実質的に水平方向に向いた長手方向の軸を有するボートと、
このボートを収容し、実質的に水平方向に向いた長手方向の軸を有し、かつある熱膨張係数を有するアンプルと、
このアンプルの周囲に配設された加熱ユニットと、
上記アンプルと上記加熱ユニットとの間に配設されて上記アンプルを取り囲むライナーであって、上記アンプルの熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を有する材料で構成されたライナーとを含む装置。
【請求項８】
上記ライナーを構成する材料が上記アンプルの熱伝導率と実質的に一致する熱伝導率を有する、請求項７記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項９】
上記ライナーを構成する材料が石英である、請求項７記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項１０】
上記アンプルが石英で構成されている、請求項７記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項１１】
上記ライナーの壁厚が約１ｍｍよりも大きい、請求項７記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項１２】
上記ライナーの壁厚が約２ｍｍ〜８ｍｍの間である、請求項７記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項１３】
単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置であって、
実質的に鉛直方向に向いた長手方向の軸を有するるつぼと、
このるつぼを収容し、実質的に鉛直方向に向いた長手方向の軸を有するアンプルと、
このアンプルの周囲に配設された加熱ユニットと、
上記アンプルと上記加熱ユニットとの間に配設されて上記アンプルを取り囲むライナーであって、実質的に鉛直方向に向いた長手方向の軸を有し石英で構成されたライナーとを含む装置。
【請求項１４】
上記アンプルが石英で構成されている、請求項１３記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項１５】
上記ライナーの壁厚が約１ｍｍよりも大きい、請求項１３記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項１６】
上記ライナーの壁厚が約２ｍｍ〜８ｍｍの間である、請求項１３記載の単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置。
【請求項１７】
単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置に使用するライナーであって、前記装置が、るつぼと、このるつぼを収容するアンプルと、このアンプルの周囲に配設された加熱ユニットとを含み、当該ライナーは、上記アンプルと上記加熱ユニットとの間に配設されるべきものであり、石英で構成されたライナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体結晶の成長に関する。さらに詳しくは、本発明は単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子および光電子装置のメーカーは、商業的に成長させられた大きくて一様な半導体の単結晶を日常的に必要とする。これらの結晶をスライスおよび研磨して、マイクロエレクトロニクス装置を生産するための基板を提供することができる。本技術分野でよく知られた広範囲の膜形成およびリソグラフィー技術を利用して、単結晶基板上に薄膜層や微細回路が形成され、集積回路、発光ダイオード、半導体レーザー、センサーその他のマイクロエレクトロニクス装置が生産される。高周波集積回路および光電子集積回路の用途では、一様な結晶性と欠陥密度が装置の生産歩留まり、寿命および性能に影響を与える基板の基本的な特性である。そのため、結晶成長技術における改良が研究機関および企業において研究されている。
【０００３】
化合物半導体結晶は典型的には、４つの技術のいずれかによって成長させられる：すなわち液体封止引き上げ（チョクラルスキー）法（ＬＥＣ）、水平ブリッジマン法（ＨＢ）、水平温度勾配法（ＨＧＦ）および垂直徐冷法（ＶＧＦ）である。ＬＥＣは、ＧａＡｓのような半絶縁性半導体結晶を生産するために一般的に使用される技術である。ＬＥＣプロセスでは、揮発性のＡｓの損失を防止して化学量論的組成を維持するために、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）の層で覆われた溶融ＧａＡｓ内に種単結晶が降ろされる。溶融材料の温度は種結晶の上で結晶化が始まるまで下げられる。次に種結晶を一定の速さで引き上げることで、溶融材料から結晶が引き上げられる。種結晶と溶融材料とは、多結晶化合物の揮発性の第Ｖ族および第ＶＩ族元素が、その融液から逃げないように、高圧で鋼製チャンバー内に収められている。
【０００４】
ＬＥＣプロセスでは、冷却と結晶化とが熱した溶融材料の上方で行われるため、溶融材料中での不安定な対流と、成長システム内での不活性気体雰囲気中の乱流とを避けることができない。それに加えて、ＬＥＣでは揮発性の砒素の蒸散を防止するために、固化する結晶を急速に冷却する必要があるので、良好な結果を得るためには顕著な熱勾配を必要とする。この大きな勾配の結果として、ＬＥＣ技術で成長した結晶は大きな固有ストレスを有する傾向があり、熱応力の影響下で成長した結晶は比較的高い欠陥密度を示すことが知られている。この欠点の影響は、大きな直径の結晶を成長するときにますます甚だしくなる。ここで「大きな直径」とは、数インチ以上の直径を有する結晶を指す。優れた基板特性と一様性とを有する直径の大きな結晶は、素子の生産歩留まりを向上して単位コストを低減するので、電子産業により求められている。
【０００５】
水平結晶成長技術は、水平ブリッジマンおよび水平温度勾配法を含めて、横型炉を使うことで、ＬＥＣにまつわる乱流を大幅に低減する。水平結晶成長技術では、結晶は水平のボートの中で成長させられる。原材料が入ったボートはアンプル内に封入される。加熱エレメントを使用して温度プロファイルを作り出す。多結晶化合物が溶けた後で、温度勾配、アンプルまたは加熱装置のいずれかをゆっくり移動して、固体・液体界面をボートの長手方向に沿って移動させる。装入された材料（チャージ）が固化して冷却すると、単結晶の成長が得られる。
【０００６】
水平成長技術では、典型的には成長は＜１１１＞方向に選択的におきる。完成した結晶の断面形状は、ボートの形状に一致する。つまりほとんどの場合、Ｄ字型の形状を有する。結晶をその成長軸である＜１１１＞に垂直に切断すると、得られるウエハは＜１１１＞材料となる。しかし通常は（１００）ウエハが望ましい。この理由により、ＨＢ結晶は通常はインゴット軸に対して約５５°の角度で切断される。この角度に切断すると、結晶軸に沿っての組成のばらつきが個々のウエハ間のばらつきとなって現れる。
【０００７】
ＨＢ技術は円筒形でない結晶を作るので、大きな直径には十分対応できない。水平成長された結晶をスライスしたウエハは、素子を製造するためには円形に研磨しなければならない。水平成長技術ではシリコンの汚染を避けることが困難なので、ＨＢ結晶はＬＥＤの製造には適しているが、電子素子および高性能光電子素子の製造には不向きである。
化合物半導体の単結晶を成長させるＶＧＦ技術は、鉛直方向の対称性が高い装置の中のるつぼの中で結晶を成長させる点でＬＥＣ技術に類似している。ＶＧＦおよびＬＥＣの両方とも円筒形の結晶を作る。ＬＥＣとＶＧＦとの間の基本的な違いは温度勾配の大きさ、種結晶の位置、および結晶の固化の方向である。ＶＧＦ結晶成長システムは、１ｃｍ当たり１０℃以下程度の小さな温度勾配を利用するが、ＬＥＣシステムでは温度勾配が典型的には１ｃｍ当たり５０℃〜１００℃である。ＶＧＦシステムの比較的小さな温度勾配で成長した結晶は熱応力が小さく、またその結果、ＬＥＣシステムで成長したものよりも低い欠陥密度を示すことが知られている。
【０００８】
種結晶は、ＶＧＦシステムではるつぼの底に置かれ、結晶は底から上に向かって冷却し固化する。ＬＥＣに対して、装入材料の溶融と冷却とを制御するＶＧＦの温度勾配は反転させられ、冷たい結晶が熱い溶融材料の下に位置する。そのためＬＥＣプロセスにおける固体・液体界面では乱流が有害な要因となる。ＶＧＦでは結晶が溶融材料の下にあるので、この問題の影響を受けない。
【０００９】
ＶＧＦは直径の大きな単結晶の製造によく対応できることが示されている。この理由、および示された高い結晶品質のために、ＶＧＦは化合物半導体基板、高性能マイクロエレクトロニクスおよび光電子素子の消費者市場にとって、適切な結晶を製造する技術として魅力的である。
ＶＧＦ技術の生産性と結晶品質とは、装置内の石英製アンプルと加熱コイルの間にセラミックまたは耐火物のディフューザを含めることで改善される。ホットスポットと乱流とを減らすために、ムライトまたは炭化珪素製のディフューザがＶＧＦ成長装置内に挿入または取り付けられることが多い。ディフューザは加熱をより一様にして温度勾配の制御を向上させる。その結果、ムライトまたは炭化珪素製のディフューザを備えた装置で、結晶は、固有ストレスを低減して成長することができる。
【００１０】
しかし具合の悪いことに、石英製アンプルを使用する場合に、装置内にムライトまたは炭化珪素製のディフューザを備えることには欠点がある。ディフューザは加熱と冷却とのサイクルを繰り返すともろくなるのである。しかもディフューザは限られた回数の使用の後に壊れることが多い。もうひとつの問題は、ディフューザとアンプルとの間の熱膨張係数の不適合である。結晶成長装置は１２００℃を超える温度に加熱することが多い。このような温度では、アンプルの内外の気体圧力がバランスしていないので、封止された石英製アンプルが膨張する。冷却の際、石英は非常に低い熱膨張係数を有しているので、アンプルは炉のライナーとは違う速さで収縮する傾向がある。他方ディフューザは、冷却中にその初期寸法へと急速に収縮する。ムライトまたは炭化珪素製のディフューザは膨張したアンプルを圧縮し、ディフューザもしくはアンプル、またはその両方の破壊をもたらすことが少なくない。アンプルが破壊すると通常は装入材料が無駄になり、結晶製造の歩留まりを大幅に低下させる。
【００１１】
実際には、炭化珪素製のディフューザが使用可能な結晶成長サイクルは３〜５サイクルであり、その利点のコストが非現実的に高くつく。ムライトはそれほど高価ではないが、ムライトは炭化珪素と比較して熱伝導率が悪く、しかも高品位で大径の円筒状ムライトを入手するのが困難なため、ディフューザとしてそれほど有用ではない。従ってムライトは温度勾配の一様性を改善する上で限定した利益しか有しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は単結晶第ＩＩＩ−Ｖ族および第ＩＩ−ＶＩ族化合物の製造装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この装置は、るつぼまたはボートと、るつぼまたはボートを収容するアンプルと、アンプルの周囲に配設された加熱ユニットとを備えている。加熱ユニットとアンプルとの間にはライナーが配設されている。ライナーは好適には石英で構成されている。ライナーとアンプルとが石英のような同じ材料で作られると、ライナーとアンプルとの熱伝導率はほぼ等しくなり、ライナーとアンプルとの熱膨張係数も同じである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本明細書において、「石英」、「溶融石英」および「溶融シリカ」という用語は互いに交換可能な意味に使用されており、全てシリカ（ＳｉＯ2）を溶融して得られる材料の全グループを指す。典型的には約１０-3Ω・ｃｍ〜１０9Ω・ｃｍの範囲内の抵抗率を有する単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物は、半導体（ＳＣ）と呼ばれる。約１×１０7Ω・ｃｍよりも高い抵抗率を有する単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物は「半絶縁性」（ＳＩ）半導体と呼ばれる。第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物内のドーピングレベルによって、単結晶の形態は「アンドープ」すなわち固有状態での、または「ドープ」状態での「半絶縁性」となりうる。ドープ状態での化合物の例としては、クロムまたは炭素をドーパントとして含むＧａＡｓや、鉄をドーパントとして含むＩｎＰがある。「るつぼ」という言葉および「ボート」という言葉は、両方ともその中で単結晶化合物または結晶を成長させることのできる容器を指すので、互いに交換可能に用いられる。
【００１５】
図１は本発明の第一の実施形態によって構成された単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置１００を示す。装置１００は大略的に円筒形のるつぼ１３０を含む。るつぼ１３０は熱分解（パイロリティック）窒化ホウ素（ＰＢＮ）で作られる。るつぼ１３０は図１に示すように固体の種結晶物質１０８を収容する中央領域１０６のある円錐形の底部１０４を有する。種結晶１０８はシードウェル１０６の最上部１１０に向かって上向きに延びて、種結晶の表面１１２を現している。この表面１１２は、るつぼ内で単結晶化合物１１４が成長する上での結晶性の基準（フォーマット）を与える。本発明に従って成長させられる単結晶化合物１１４は、好適には第ＩＩＩ−Ｖ族、第ＩＩ−ＶＩ族または関連する化合物であり、例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＡｌＡｓ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｎＴｅ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたはＺｎＴｅである。
【００１６】
最初に、多結晶化合物の大きな固体の塊がるつぼ１３０の中に装入される。多結晶化合物の大きな固体の塊と共に、Ｂ2Ｏ3のようなホウ素の酸化物の固体片がるつぼ１３０の中に装入される。次に炭素のような適当なドーパント物質を、るつぼ１３０または封止されたアンプル１２０の他の部分に導入し、当業者に周知の技術に従ってドープされた単結晶化合物１１４を作ることができる。
【００１７】
図１では、装入されたるつぼ１３０が、好適には石英製のアンプル１２０の中に載置されている。るつぼ１３０をアンプル１２０の中に配置した後、アンプル１２０は好適には石英製のふたで封止される。るつぼ１３０を収容し封止されたアンプル１２０は、次に加熱エレメント１２４を有する加熱ユニット１２３内でライナー１２２内に挿入される。ライナー１２２は好適には両端が開放した円筒形のチューブの形にされている。ライナー１２２は、装入材料１０８とるつぼ１３０とを包み込むアンプル１２０を取り囲む。ライナー１２２とアンプル１２０との間隔は好適には０．１ｍｍ以上である。ライナー１２２およびアンプル１２０の壁の厚みは１ｍｍ以上であり、好適には２ｍｍ〜８ｍｍの範囲内である。るつぼ１３０、アンプル１２０およびライナー１２２は、ＶＧＦまたはＬＥＣシステムで通例のように、実質的に鉛直方向を向いた長手方向の軸を有する。
【００１８】
組み立てた後、装置１００を加熱エレメント１２４で過熱して、原材料の塊が溶融される。加熱エレメント１２４に変化する電力を供給することにより、温度勾配と固体・液体界面１０２とが形成される。最初は原材料は全て溶融状態であり、種結晶１０８だけが固体である。固体・液体界面１０２は、最初は種結晶１０８の上面１１２にある。温度勾配は溶融材料の中をゆっくりと上昇させられ、単結晶１１４が種結晶１０８から成長するようにされる。溶融材料１１６の固化が進んで単結晶が成長するにつれて、固体・液体界面１０２は徐々に上昇する。
【００１９】
図１ではライナー１２２は好適には石英で作られている。石英は表１に示すように比較的低い熱伝導率を有する。そのためライナー１２２を石英材料で形成することにより、原材料を溶融する間、単結晶化合物すなわち結晶１１４の形成の間、および結晶１１４の冷却の間、ライナー１２２は装入材料の良好な温度の一様性を実現する。その結果、石英製ライナー１２２は制御された緩やかで一様な温度勾配を作り出し、それは熱ストレスを最小に抑えた結晶の成長を可能にする。ライナー１２２が存在するために、装置１００を使用して成長させられた結晶１１４は、固有ストレスが低減されており、結晶欠陥が少ない。結晶成長の歩留まりは飛躍的に向上し、これらの結晶１１４から製造されるマイクロエレクトロニクス素子の歩留まりおよび性能の向上も図られる。
【００２０】
ライナー１２２とアンプル１２０とを石英のような同じ材料で作ることにより、ライナー１２２とアンプル１２０との熱伝導率が実質的に等しくなるだけではない。ライナー１２２とアンプル１２０とはまた、実質的に等しい熱膨張係数を有する。そのため、ライナー１２２とアンプル１２０との間の物理的ストレスが回避される。結晶成長の間にアンプル１２０にクラックが生じる傾向も低減され、結晶の損失が少なくなる。結晶製造の歩留まりが向上し、他の材料で作られたディフューザの場合よりも多くの成長サイクルでライナー１２２を使用できる。
【００２１】
表１に石英、炭化珪素およびムライトの熱膨張係数および熱伝導率の比較を示す。
【００２２】
【表１】
2005519837.tif 000003
【００２３】
石英はその他の特性によっても、結晶成長装置１００のライナー１２２の材料として適切といえる。石英は通常の温度において、ほとんどの酸、金属、塩化物および臭化物と反応しない。石英は機械的および電気的に良い特性を有しており、しかも弾性を有する。これらの理由により、石英製ライナー１２２は単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物を成長する装置１００に最適である。ライナーは結晶成長プロセスの数サイクルに再利用可能である。
【００２４】
図１において、加熱ユニット１２３はアンプル１２０の周囲に配設されている。ライナー１２２はアンプル１２０と加熱ユニット１２３との間に配設されている。加熱ユニット１２３は、例えばライナー１２２、アンプル１２０およびるつぼ１３０を制御可能に加熱するために、加熱コイルその他の適切な加熱エレメント１２４を含む。加熱ユニット１２３は温度を監視する手段を更に含む。
【００２５】
図１において、結晶成長装置１００は本技術分野で周知の一連の制御手順で操作される。アンプル１２０内のるつぼ１３０が加熱され、制御された条件下で溶融および冷却が行われる。るつぼ１３０とアンプル１２０とが室温まで冷却された後、アンプル１２０をライナー１２２から取り出して開き、単結晶インゴットを露出させることができる。
図２は本発明の第二の実施形態によって構成された単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置２００を示す。装置２００は、その中に原材料２０３が装填されるボート２０２を含む。ボート２０２はアンプル２０４の中に収められる。アンプル２０４は、好ましくは、石英から作られている。装置２００の中には石英製のライナー２０６が備えられている。ライナー２０６は、図１を参照して上で説明したライナー１２２と同じチューブ状の形状と特性とを有する。
【００２６】
図２において、ライナー２０６はアンプル２０４とアンプル２０４を取り囲む加熱ユニット２０８との間に配設されている。ライナー２０６はアンプル２０４を取り囲んでいる。ボート２０２、アンプル２０４およびライナー２０６はＨＢまたはＨＧＦシステムで通例のように、実質的に水平方向を向いた長手方向の軸を有する。
図２において、装置２００は水平方向に向いた固定した温度勾配を確立し、可動デッキを包囲している。ボート２０２はデッキの上を移動して制御された条件下で温度勾配を通過し、ボート２０２内の原材料２０３は溶融して単結晶化合物に転換される。ライナー２０６は図１を参照して上で説明した第一の実施形態のライナー１２２とほぼ同じ効果を有する。すなわち、ライナー２０６は一様な加熱および冷却を実現し、精密に制御することができてしかもホットスポットが生じない一様な温度勾配を与える。
【００２７】
本発明の上に述べた実施形態は、本発明の原理を明確に理解するために示された、実施上可能な例に過ぎないということが、強調されるべきである。本発明の趣旨および原理から逸脱することなく、本発明の上記の実施形態に対して様々な変形や変更を行うことができる。かかる変形や変更はすべて本発明の範囲に含まれるものであり、特許請求の範囲によって保護される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第一の実施形態によって構成された単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置を示す。
【図２】本発明の第二の実施形態によって構成された単結晶第ＩＩ−ＶＩ族および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長装置を示す。
【図１】
2005519837.tif 000004
【図２】
2005519837.tif 000005
【国際調査報告】
2005519837.tif 000006