(57)【要約】【課題】化合物半導体製造装置において、固液界面を液相側に凸形状とする熱流制御が可能な成長容器支持構造を得る。【解決手段】種結晶収容部３ａ、増径部３ｂ及び結晶育成部３ｃを有する結晶成長容器を、その下部の増径部を支持体１により支持して加熱装置５、６内に縦型に配置し、半導体融液を結晶成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する縦型成長法による化合物半導体結晶の製造装置において、上記成長容器３の増径部３ｂを支持する支持体１が管状で、成長容器下側に空間１ａを有する構造とする。【選択図】      図１
2004161559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
種結晶収容部と、これに続く徐々に断面積が増大する増径部と、これに続く断面積が大きくほぼ一定の結晶育成部とを有する結晶成長容器を、その下部の増径部を支持体により支持して加熱装置内に縦型に配置し、半導体融液を結晶成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する縦型成長法による化合物半導体結晶の製造装置において、
上記成長容器の増径部を支持する支持体が管状で、成長容器下側に空間を有することを特徴とする化合物半導体製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の化合物半導体製造装置において、
上記成長容器の増径部を支持する支持体が、上方に開放された管状体から成り、上記増径部における結晶育成部との境界付近を支持することを特徴とする化合物半導体製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の化合物半導体製造装置において、
上記成長容器の増径部を支持する支持体が、上下方向に移動可能な下軸の上に設けられた中空の円筒状部材から成ることを特徴とする化合物半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体融液を結晶成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する縦型成長法による化合物半導体結晶の製造装置、特にその成長容器の支持構造に係り、結晶成長時の固液界面を凸面化することで再現性良く、高収率で単結晶を得ることを目的とする結晶成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体原料融液を容器（ルツボ）内に収納し、容器の底部に予め配置した種結晶より徐々に上方に固化させることにより単結晶を成長する縦型成長法、すなわち垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）や垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）等では、比較的大口径で、且つ結晶中の転位密度の低い単結晶が作製できるという特長があることから、半導体単結晶の製造、特にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長法として重要な技術となっている。
【０００３】
垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）も垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）等も、半導体原料融液を容器（ルツボ）内に収納し、容器の底部に予め配置した種結晶より結晶成長を開始して、徐々に上方に固化させことにより結晶化を進行せしめ、ついには原料融液全体を結晶化させるという点で共通する。ただし、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）では成長容器を相対的に降下させて成長させるのに対し、垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）では温度降下のみで成長させる点で、両者に違いがある。いずれも液体封止引上法（ＬＥＣ法）に比べて小さな温度勾配（緩い温度勾配）の下で結晶を成長させることができるので、転位等の結晶欠陥の少ない化合物半導体単結晶を得ることができる。
【０００４】
上記縦型成長法のＶＢ法やＶＧＦ法等では、成長容器の下部に種結晶を入れ、その上に化合物半導体多結晶を配置し、垂直方向に温度勾配を設けることのできる炉内に入れ、種結晶より上方に向けて結晶を成長させることによって単結晶を製造するもので、結晶欠陥の少ない直径７６ｍｍを超える大径の結晶成長を容易に行えることを特長としている。
【０００５】
図３に従来の結晶成長装置の概略を示す。成長装置は、種結晶７とＧａＡｓ原料８と液体封止剤４を収容する筒状の成長容器３とこれらを支持する支持体１と、所定の温度勾配を作ることのできる加熱装置たるヒータ（発熱体）５〜６と、成長につれて垂直下方向に移動可能な下軸２から構成される。
【０００６】
従来例として、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一種である砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の単結晶を成長する例を、図３に示したＶＢ炉について説明する。
【０００７】
結晶成長容器３は、断面積が小さい種結晶収容部３ａと、これに続く徐々に断面積が増大する増径部３ｂと、これに続く断面積が大きくほぼ一定の結晶育成部３ｃとを有するＰＢＮ製の容器である。
【０００８】
まず、ＰＢＮ製容器に底部に在る種結晶収容部３ａにＧａＡｓの種結晶７を挿入し、ＧａＡｓ多結晶原料と液体封止剤４として三酸化硼素（Ｂ２Ｏ３）を投入する。この結晶成長容器３を支持体１及び下軸２で支えて圧力容器内に装填し、圧力容器内を不活性ガスで置換、加圧し、ヒータ５、６に給電し、ＧａＡｓ多結晶原料及びＢ２Ｏ３を溶融してＧａＡｓ融液層及びＢ２Ｏ３液体封止剤融液層とし、種付けを行う。次いで、種付け部近傍に例えば５℃／ｃｍの温度勾配を設定して、結晶成長容器３を５ｍｍ／ｈｒの速度で降下させる垂直ブリッジマン法で結晶成長を行う。
【０００９】
ところで、垂直ブリッジマン法で、再現性よく単結晶を得るためのポイントは、融液と結晶部の界面（以下「固液界面」）の形状制御であり、固液界面を融液側に凸形状に制御するという固液界面の形状制御のポイントが、結晶成長過程での熱流の制御であることも一般的に知られている。このため、成長容器（ルツボ）とヒータとの間に、成長容器の外周を取り囲む熱シールド部材を配置するなどの提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−２４９６４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
【００１２】
図２（Ｂ）に、図３で説明した従来型結晶成長装置の固液界面形状と熱流の概略を示す。成長容器３の荷重を支持するため、成長容器テーパー部（増径部３ｂ）の全面が支持体１で覆われている。このため結晶固化で生じる潜熱の大部分は、放熱の容易な結晶側面から逃げることになり、トータルの熱流の方向は矢印Ａの方向に示すように外側になる。この結果、固液界面は固相側に凸形状になり、成長するにつれて転位が結晶内部に集積し、多結晶化する問題がある。
【００１３】
一方、上記特許文献１のように成長容器の外周を取り囲む熱シールド部材を配置する方法では、付加的な部材を必要とする上、ヒータからの熱伝達を妨げる恐れがある。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、化合物半導体の製造装置において、固液界面を液相側に凸形状とするような熱流制御が可能な成長容器支持構造を提供し、成長途中で転位が内部に集積し多結晶化するのを防止し単結晶の製造歩留りを向上させることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１６】
請求項１の発明に係る化合物半導体製造装置は、種結晶収容部と、これに続く徐々に断面積が増大する増径部と、これに続く断面積が大きくほぼ一定の結晶育成部とを有する結晶成長容器を、その下部の増径部を支持体により支持して加熱装置内に縦型に配置し、半導体融液を結晶成長容器内で下方から上方に向けて徐々に固化させて単結晶を成長する縦型成長法による化合物半導体結晶の製造装置において、上記成長容器の増径部を支持する支持体が管状で、成長容器下側に空間を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１記載の化合物半導体製造装置において、上記成長容器の増径部を支持する支持体が、上方に開放された管状体から成り、上記増径部における結晶育成部との境界付近を支持することを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の化合物半導体製造装置において、上記成長容器の増径部を支持する支持体が、上下方向に移動可能な下軸の上に設けられた中空の円筒状部材から成ることを特徴とする。
【００１９】
＜発明の要点＞
本発明は、ＶＢ法あるいはＶＧＦ法による結晶成長装置において、支持体の形状を管状として成長容器下側に空間を有する構造としたものである。
【００２０】
成長容器のテーパー部（増径部３ｂ）は、その一部が管状の支持体１の先端で覆われているだけであるので、結晶固化で生じる潜熱の大部分は、従来のテーパー部（増径部３ｂ）を支持体で覆った場合のように放熱の容易な結晶側面から逃げる（図２（Ｂ）の矢印Ａ参照）ということがなくなり、トータルの熱流の方向は、真っ直ぐ下方に向くようになる（図２（Ａ）の矢印Ａ参照）。この結果、固液界面は融液側に凸形状または平坦なものになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２２】
図１に本発明の実施形態に係る化合物半導体結晶成長装置の概略を示す。従来の結晶成長装置と同様に、この成長装置は、種結晶７とＧａＡｓ原料８と封止剤４を収容する筒状の結晶成長容器３と、これらを支持する支持体１と、所定の温度勾配を作ることのできる加熱装置たるヒータ（発熱体）５〜６と、成長につれて垂直下方向に移動可能で、上部に上記支持体１を取り付けた下軸２から構成される。結晶成長容器３はＰＢＮ製であり、容器底部に設けられた断面積が小さい種結晶収容部３ａと、これに続く徐々に上方に断面積が増大する増径部３ｂと、これに続く断面積が大きくほぼ一定の径を有する結晶育成部３ｃとを有する。
【００２３】
上記成長容器の増径部３ｂを支持する支持体１は、上方に開放された管状部材から成り、上記増径部における結晶育成部との境界付近を支持する構造となっている。従って、この管状の支持体１により、成長容器下側、正確には増径部３ｂのテーパー部には、空間１ａが存在する。
【００２４】
このように支持体１を管状として成長容器３の下側に空間１ａを設けた構造にすると、結晶下方への放熱が容易になり、図２（Ａ）に示すように、結晶固化で生じる潜熱のうち結晶側面から逃げる熱が相対的に減少する。結果としてトータルの熱流は、図２（Ａ）に矢印Ａで示すように真っ直ぐ下方へ向かい、固液界面形状Ｂは凸面状になる。
【００２５】
すなわち、結晶固化時に生じた潜熱は、成長容器下側に接触する物体がない場合、その放熱の大部分を伝導ではなく輻射によることになる。このため熱流は下方に向かい、固液界面形状は凸面状になる。
【００２６】
【実施例】
本発明の実施例についてＧａＡｓ結晶成長装置を例として説明する。
【００２７】
図１に示すように、成長容器３の中に種結晶７とＧａＡｓ原料８を１１キログラムと封止剤４を６００グラム入れる。原料の入った成長容器３を、支持体１を介して下軸２の上にのせる。発熱体５〜６は所定の温度勾配を形成し、原料を収容した成長容器３および支持体１をのせた下軸２を１〜３ｍｍ／時の速度で下降させることにより結晶成長を行った。
【００２８】
上記の方法によって成長した結晶の固液界面形状を確認したところ、図２（Ａ）に示すように触液側に凸形状になった。また、この方法により、直径４インチ、長さ１５０ｍｍの単結晶となった。
【００２９】
同様の方法で５０回の結晶成長を実施したところ、単結晶成長の製造歩留りは７０％以上であった。この数値は、従来技術での単結晶製造歩留り５０％に比較して大幅に向上している。
【００３０】
上述した実施例では、ＧａＡｓ単結晶の製造装置について記述したが、本発明はＩｎＰ、ＧａＰ等、ＶＢ法やＶＧＦ法で結晶成長を行う化合物半導体結晶の成長装置のすべてに適用することができ、上記と同様の固液界面制御の作用効果を得ることができる。
【００３１】
また上記実施例では、上方が開放された管状部材の頂部により成長容器の増径部を支持する構造としたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、成長容器の増径部を支持する支持体が、上方に開放された管状体から成り、その途中に、上記増径部における結晶育成部との境界付近を支持する段差部を有する構成（図２（Ａ）参照）とすることもできる。
【００３２】
本発明による装置で得られる化合物半導体単結晶は、従来装置よりも単結晶製造歩留りが高いだけでなく、従来装置で得られた化合物半導体単結晶の比べ転位の集積部が少ない傾向にある。よって本発明で得られる化合物半導体ウェハは、これを用いて素子を形成した場合、転位に基づく素子歩留りの低下を防止することができ、工業生産における経済効果は多大である。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ＶＢ法あるいはＶＧＦ法といった縦型成長法による結晶成長装置において、支持体を管状として成長容器下側に空間を設けた構造としたので、空間がない場合に較べ、熱流が下方へ向かうようになり、これにより固液界面形状は液相側すなわち上方へ凸形状になる。この結果、成長するにつれて転位が結晶内部に集積することが防止され、多結晶化することなく製造歩留りが向上するという効果がある。また、従来より存在する支持体の構造を変えるという簡易、且つ局所的な手段によって、結晶成長時の固液界面を液相側へ凸面化させることができ、これにより再現性良く、高収率で単結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による化合物半導体製造装置の構成を示す断面図である。
【図２】成長を行った結晶の熱流、固液界面形状を示すもので、（Ｂ）は、従来装置にて成長を行った結晶の熱流、固液界面形状を示す断面図、（Ａ）は本発明の装置にて成長を行った結晶の熱流、固液界面形状を示す断面図である。
【図３】従来の縦型成長法による化合物半導体製造装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１  支持体
１ａ  空間
２  下軸
３  結晶成長容器
３ａ  種結晶収容部
３ｂ  増径部
３ｃ  結晶育成部
４  液体封止剤
５、６  ヒータ
７  種結晶
８  ＧａＡｓ原料
【図１】
2004161559.tif 000003
【図２】
2004161559.tif 000004
【図３】
2004161559.tif 000005