(57)【要約】【課題】角ピットの発生割合が少ない化合物半導体単結晶の製造方法及びそれを用いて製造した化合物半導体単結晶を提供するものである。【解決手段】本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、化合物半導体原料と共に液体封止剤をるつぼ内に投入した後、これらを加圧下の不活性ガス雰囲気中で加熱融解して、液体封止剤の融液、化合物半導体の融液を順に形成した後、種結晶を用いて種付けを行うＬＥＣ法を用いた化合物半導体単結晶の製造方法において、上記化合物半導体原料及び上記液体封止剤の加熱融解を、加圧されたヘリウムガス雰囲気中で行うものである。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体原料と共に液体封止剤をるつぼ内に投入した後、これらを加圧下の不活性ガス雰囲気中で加熱融解して、液体封止剤の融液、化合物半導体の融液を順に形成した後、種結晶を用いて種付けを行うＬＥＣ法を用いた化合物半導体単結晶の製造方法において、上記化合物半導体原料及び上記液体封止剤の加熱融解を、加圧されたヘリウムガス雰囲気中で行うことを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項２】
上記化合物半導体の融液を形成した後、雰囲気ガスをヘリウムガスから窒素ガスに置換し、その後、種結晶を用いて種付けを行う請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の製造方法を用いて製造したことを特徴とする化合物半導体単結晶。
【請求項４】
ＧａＡｓ原料と共に液体封止剤をるつぼ内に投入した後、これらを加圧下の不活性ガス雰囲気中で加熱融解して、液体封止剤の融液、ＧａＡｓ融液を順に形成した後、種結晶を用いて種付けを行うＬＥＣ法を用いたＧａＡｓ単結晶の製造方法において、上記ＧａＡｓ原料としてＧａＡｓ多結晶を、上記液体封止剤として三酸化硼素を用い、これらの加熱融解を、加圧されたヘリウムガス雰囲気中で行うことを特徴とするＧａＡｓ単結晶の製造方法。
【請求項５】
上記ＧａＡｓ融液を形成した後、雰囲気ガスをヘリウムガスから窒素ガスに置換し、その後、種結晶を用いて種付けを行う請求項４記載のＧａＡｓ単結晶の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５記載の製造方法を用いて製造したことを特徴とするＧａＡｓ単結晶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体単結晶の製造方法及びそれを用いて製造した化合物半導体単結晶に係り、特に、ＬＥＣ法を用いたＧａＡｓ単結晶の製造方法及びそれを用いて製造したＧａＡｓ単結晶に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体単結晶は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の高速高周波素子などの基板材料として非常に広い用途で用いられている。化合物半導体単結晶の製造方法の一つに、液体封止引き上げ法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法（以下、ＬＥＣ法と表す））がある。このＬＥＣ法を用いた化合物半導体単結晶の製造方法の一例として、ＧａＡｓ単結晶の製造方法が挙げられる。
【０００３】
Ｐｙｒｏｌｉｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ（以下、ＰＢＮと表す）製のるつぼ内に、ＧａＡｓ原料および液体封止剤を投入すると共に、このるつぼを耐圧容器内に配置する。その後、耐圧容器内に加圧した不活性ガス（例えば、Ａｒガスや窒素ガス）を封入して耐圧容器内を陽圧に調整・保持する。その後、ヒータを用いてるつぼを加熱し、液体封止剤の融液、ＧａＡｓ融液を順に融解形成した後、種結晶を用いて種付けを行い、ＧａＡｓ結晶を成長させてＧａＡｓ単結晶のインゴットを製造する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
得られたＧａＡｓ単結晶インゴットをウェハ状にスライス切断した後、切断面を研磨することで、鏡面ＧａＡｓ単結晶ウェハが得られる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１６３０９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したＧａＡｓ単結晶インゴットから得られたＧａＡｓ単結晶ウェハにおいては、その表面に、最大で約１０μｍ角の孔欠陥（以下、角ピットと表す）が観察されることがある。この角ピットの発生割合は、φ１０５ｍｍのＧａＡｓ単結晶インゴットから得られる全ウェハ枚数の内の、約１０％にも達している。
【０００７】
角ピットが観察されたＧａＡｓ単結晶ウェハは、その表面の凹凸が、デバイス等の微細加工時において歩留りを低下させる大きな原因となるという問題があった。また、１枚のウェハに存在する角ピットの数が多い場合は、微細加工自体が困難になるという問題があった。
【０００８】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、角ピットの発生割合が少ない化合物半導体単結晶の製造方法及びそれを用いて製造した化合物半導体単結晶を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、化合物半導体原料と共に液体封止剤をるつぼ内に投入した後、これらを加圧下の不活性ガス雰囲気中で加熱融解して、液体封止剤の融液、化合物半導体の融液を順に形成した後、種結晶を用いて種付けを行うＬＥＣ法を用いた化合物半導体単結晶の製造方法において、上記化合物半導体原料及び上記液体封止剤の加熱融解を、加圧されたヘリウムガス雰囲気中で行うものである。一方、本発明に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法は、ＧａＡｓ原料と共に液体封止剤をるつぼ内に投入した後、これらを加圧下の不活性ガス雰囲気中で加熱融解して、液体封止剤の融液、ＧａＡｓ融液を順に形成した後、種結晶を用いて種付けを行うＬＥＣ法を用いたＧａＡｓ単結晶の製造方法において、上記ＧａＡｓ原料としてＧａＡｓ多結晶を、上記液体封止剤として三酸化硼素を用い、これらの加熱融解を、加圧されたヘリウムガス雰囲気中で行うものである。
【００１０】
具体的には、請求項２又は請求項５に示すように、上記化合物半導体の融液又は上記ＧａＡｓ融液を形成した後、雰囲気ガスをヘリウムガスから窒素ガスに置換し、その後、種結晶を用いて種付けを行う。
【００１１】
ここで、ＬＥＣ法における雰囲気ガスとしてヘリウムガスを用いることで、液体封止剤及び化合物半導体の加熱融解時に、融液中に取り込まれる雰囲気ガス量が、従来と比較して著しく少なくなる。
【００１２】
一方、本発明に係る化合物半導体単結晶又はＧａＡｓ単結晶は、上述した製造方法を用いて製造したものである。
【００１３】
これによって、化合物半導体単結晶に取り込まれる雰囲気ガス量が、従来と比較して著しく少なくなり、角ピットの発生割合が少ない化合物半導体単結晶を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を説明する。
【００１５】
本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法の好適一実施の形態として、ＧａＡｓ単結晶の製造方法を示す。
【００１６】
ＧａＡｓ単結晶ウェハ表面に形成される角ピットは、結晶成長の際の雰囲気ガスで満たされていることが確認されている。また、角ピットは、成長のある時点の固液界面に沿って分布していることが調査の結果から明らかになっている。また、角ピットは、ＧａＡｓ単結晶全体、つまり全てのＧａＡｓ単結晶ウェハに分布して発生するものではないことから、ある一定の条件下で成長した際に発生したものと推定される。
【００１７】
本発明者らは、上述の確認されている事実及び推定（角ピット内のガス分析の結果、角ピットの発生分布など）に基づいて、鋭意研究を行った結果、角ピットの発生機構として以下のモデルを導くに到った。
【００１８】
具体的には、不活性ガスを充填した耐圧容器に収容されたＰＢＮ製るつぼ内の三酸化硼素及びＧａＡｓ多結晶を、加熱融解する昇温過程において、三酸化硼素が融解する時に、三酸化硼素の融液の下部（ＧａＡｓ多結晶側部）に不活性ガスが取り込まれる。この三酸化硼素の融液の下部に取り込まれた不活性ガスは、ＧａＡｓ多結晶が融液となった時点においても依然として残留しており、ＧａＡｓ融液と三酸化硼素融液との界面に浮遊している。また、その後のＧａＡｓ単結晶の成長過程においても、前述した不活性ガスは、成長したＧａＡｓ単結晶とＧａＡｓ融液との界面（固液界面）上に依然として存在している。ここで、通常の成長過程では、不活性ガスがＧａＡｓ単結晶に取り込まれることはないが、何らかの原因によってＧａＡｓ融液が過冷却状態となり、その過冷却部が通常の成長速度よりも速い速度で単結晶化すると、不活性ガスがＧａＡｓ単結晶に取り込まれてしまう。その結果、角ピットが発生する。
【００１９】
そこで、本発明者らは、加熱融解の昇温過程における雰囲気ガスとして、Ａｒガスや窒素ガスよりも単位体積当たりの質量が小さいヘリウムガスを用いることにした。
【００２０】
以上より、本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法は、ＧａＡｓ原料と共に液体封止剤をるつぼ内に投入した後、これらを加圧下の不活性ガス雰囲気中で加熱融解して、液体封止剤の融液、ＧａＡｓ融液を順に形成した後、種結晶を用いて種付けを行い、ＧａＡｓ単結晶を製造する方法であり、ＧａＡｓ原料としてＧａＡｓ多結晶を、液体封止剤として三酸化硼素を用い、これらの加熱融解を、加圧されたヘリウムガス雰囲気中で行うものである。
【００２１】
具体的には、直径が例えば２８０ｍｍのＰＢＮ製のるつぼ内に、ＧａＡｓ原料として２４，０００ｇのＧａＡｓ多結晶を、液体封止剤として１，５００ｇの三酸化硼素を投入すると共に、このるつぼを耐圧容器内に配置する。三酸化硼素はＧａＡｓ多結晶上に載置した状態で投入配置される。液体封止剤は、ＧａＡｓよりも比重が小さく、かつ、ＧａＡｓと混じり合わなく（ＧａＡｓに対して濡れ性がなく）、Ｇａに対して安定な材料であれば特に限定するものではない。
【００２２】
その後、耐圧容器内に加圧したヘリウムガスを封入して耐圧容器内を陽圧（例えば、７〜９気圧、好ましくは８気圧前後〔７．１〜９．１×１０５Ｐａ、好ましくは８．１×１０５Ｐａ前後〕）に調整・保持する。その後、ヒータを用いてるつぼを加熱し、三酸化硼素、ＧａＡｓ多結晶を順に融解し、三酸化硼素の融液、ＧａＡｓ融液を順に形成する。融液は、ＧａＡｓ融液と三酸化硼素融液との完全二層の分離構造となり、ＧａＡｓ融液を三酸化硼素融液が覆っている。
【００２３】
ＧａＡｓ融液の形成後、耐圧容器内を減圧する。減圧後のヘリウムガスの内圧は、大気圧よりは高くする（例えば、１．１〜３気圧、好ましくは２気圧前後〔１．１〜３．０×１０５Ｐａ、好ましくは２．０×１０５Ｐａ前後〕）。その後、耐圧容器内に雰囲気ガスとして加圧した窒素ガスを封入して、雰囲気ガスをヘリウムガスから窒素ガスに置換し、耐圧容器内を陽圧（例えば、７〜９気圧、好ましくは８気圧前後〔７．１〜９．１×１０５Ｐａ、好ましくは８．１×１０５Ｐａ前後〕）に調整・保持する。
【００２４】
その後、種結晶を用いて種付けを行い、ＧａＡｓ結晶を成長させてＧａＡｓ単結晶のインゴット（例えば、φ１０５ｍｍのインゴット）を製造する。
【００２５】
得られたＧａＡｓ単結晶インゴットをウェハ状にスライス切断した後、切断面を鏡面研磨することで、ＧａＡｓ単結晶ウェハが得られる。得られた全ＧａＡｓ単結晶ウェハの表面を観察したところ、角ピットは観察されなかった。
【００２６】
また、同様の製造方法を用いて５０本のＧａＡｓ単結晶インゴットを作製し、全インゴットについてＧａＡｓ単結晶ウェハを作製した。５０本のインゴットから得られた全ウェハの内、角ピットが発生しているウェハの割合は約２％であった。この値は、従来の角ピット発生割合の約１／５であり、本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法を用いることで、角ピットの発生割合を著しく減少できることが確認された。
【００２７】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００２８】
本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法においては、三酸化硼素及びＧａＡｓの融液を加熱融解する際、加圧されたヘリウムガス雰囲気中で行っていることから、三酸化硼素の融解時に、三酸化硼素の融液の下部にヘリウムガスが取り込まれたとしても、ヘリウムガスは従来のＡｒガスや窒素ガスと比べて非常に軽く、浮力が大きいことから浮かび易い。その結果、多くのヘリウムガスが三酸化硼素の融液中から脱気され、ＧａＡｓ多結晶が融液となった時点においてはヘリウムガスの残留は殆どない。これによって、角ピットの発生原因となる三酸化硼素の融液の下部に取り込まれる雰囲気ガス（不活性ガス）量が、従来と比較して著しく少なくなる。
【００２９】
また、本実施の形態においては、ＧａＡｓ単結晶の成長を行うに先立って、耐圧容器内の圧力を減圧した後、雰囲気ガスとして窒素ガスを封入している。これは、ヘリウムガスは窒素ガスと比べて熱伝達率が小さいため、ヘリウムガス雰囲気でＧａＡｓ単結晶の成長を行った場合、結晶からの熱放散が少なくなり、結晶成長速度が遅くなってしまうためである。よって、ＧａＡｓ単結晶の成長を行うに先立って、雰囲気ガスをヘリウムガスから、熱伝達率がより大きな不活性ガスである窒素ガスに置換している。その結果、従来と同程度の成長速度で、ＧａＡｓ単結晶の結晶成長を行うことができる。
【００３０】
本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法により得られるＧａＡｓ単結晶からなるウェハ（以下、本ウェハと表す）を用いることで、角ピットが観察された従来のＧａＡｓ単結晶ウェハと比較して、ウェハ表面が平滑となるため、デバイスの微細加工時において歩留りを低下させることはなく、また、微細加工を行うことができなくなるということもない。その結果、本ウェハを用いることで、従来よりも容易、かつ、安価に、良好な特性を有したＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ等のデバイス素子を作製することができる。
【００３１】
本実施の形態においてはＧａＡｓ単結晶の製造方法について説明を行ったが、これに限定されるものではなく、ＬＥＣ法を用いた他の化合物半導体単結晶、例えば、ＩｎＰ単結晶、ＧａＰ単結晶、ＩｎＡｓ単結晶などの製造方法にも適用可能である。これらの化合物半導体単結晶の製造方法においても、本実施の形態に係るＧａＡｓ単結晶の製造方法と同様の作用効果が期待できる。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００３４】
（１）  本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法によれば、雰囲気ガスとしてヘリウムガスを用いることで、液体封止剤及び化合物半導体の加熱融解時に、融液中に取り込まれる雰囲気ガス量が、従来と比較して著しく少なくなる。
【００３５】
（２）  （１）の製造方法を用いて製造することで、化合物半導体単結晶に取り込まれる雰囲気ガス量が、従来と比較して著しく少なくなり、角ピットの発生割合が少ない化合物半導体単結晶を得ることができる。