(57)【要約】【課題】収率を大幅に向上させた化合物半導体単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】種結晶１２を原料融液１５と接触させた種付け部からある成長時点までの引上げ長さにおいて、るつぼ９の回転数を、それ以降の回転数未満とすることにより、単結晶１７の成長過程、特に種付け部１７ａから定径部１７ｂまでの成長初期段階での固液界面形状を再現性良く原料融液１５側に凸字断面形状になるように制御することができ、化合物半導体の単結晶１７の収率を大幅に向上させることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼ内に化合物半導体の原料及び封止剤を収容し、不活性ガスを充填した成長炉内で上記るつぼを加熱して上記原料及び上記封止剤を融解し、その原料融液に種結晶を接触させた後、上記るつぼ、及び上記種結晶を鉛直な中心軸のまわりに回転させると共に、上記種結晶を鉛直に引上げることにより上記種結晶から化合物半導体の単結晶を成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、種付け部からある引上げ長さまでの上記るつぼの回転数がそれ以降の回転数未満である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】
種付け部からある引上げ長さまでのるつぼの回転数が一定の割合で増加することを特徴とする請求項１に記載の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、化合物半導体単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体単結晶の製造方法としてＬＥＣ法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法：液体封止チョクラルスキー法）がある。以下、図３を参照してＬＥＣ法について説明する。
【０００３】
図３は化合物半導体単結晶を製造するための成長炉の概念図である。
【０００４】
チャンバ１内の中央に有底無蓋の円筒状のるつぼサセプタ２が、鉛直なるつぼ軸３の上端に固定されている。るつぼ軸３の下端はチャンバ１の外部下側に設けられた回転、昇降手段４に連結されている。るつぼサセプタ２は回転、昇降手段４により、るつぼ軸３を中心として回転、昇降自在となっている。チャンバ１内のるつぼサセプタ２の周囲には円筒状のヒータ５が配置されている。ヒータ５とチャンバ１の側壁との間には円筒状の熱シールド治具６、７が配置され、るつぼサセプタ２とチャンバ１の底板との間には円板状の熱シールド治具８が配置されている。るつぼサセプタ２内にはＰＢＮ（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）製のるつぼ９が収容されるようになっている。チャンバ１内のるつぼ９の上側にはるつぼ軸と同軸とする引上げ軸１０が設けられている。引上げ軸１０はチャンバ１の外部上側に設けられた回転、昇降手段１１により、回転、昇降自在となっている。引上げ軸１０の下端には種結晶１２を保持するためのホルダ１３が設けられている。
【０００５】
これらチャンバ１、るつぼサセプタ２、るつぼ軸３、回転、昇降手段４、ヒータ５、熱シールド治具６〜８、るつぼ９、引上げ軸１０、回転、昇降手段１１及びホルダ１３で成長炉１４が構成されている。但し、チャンバ１内を排気するための排気手段やガス導入手段等は省略されている。
【０００６】
なお、図では成長途中の化合物半導体単結晶（以下「単結晶」という。）１７と、液状の原料（原料融液）１５と、液状の封止剤１６とが示されているが、成長準備段階では原料１５及び封止剤１６は共に固体である。
【０００７】
単結晶１７の１７ａは種付け部（種結晶１２と液状の原料１５との接触部）、１７ｂは増径部（単結晶１７の略円錐状に形成された部分）、１７ｃは定径部（単結晶１７の円柱状に形成された部分）をそれぞれ示す。
【０００８】
次にこの成長炉１４を用いてＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法について説明する。
【０００９】
ＬＥＣ法は、るつぼ９内に化合物半導体の原料（固体）１５及び封止剤（固体）１６を収容し、不活性ガスを充填した成長炉１４内でるつぼ９をヒータ５により通電加熱して原料１５及び封止剤１６を融解し、回転、昇降手段１１で引上げ軸１０を回転、降下させて原料融液１５に種結晶１２を接触させた後、例えば矢印３ａ方向にるつぼ９（るつぼサセプタ２）を回転させると共に、例えば矢印３ｂ方向に回転させながら種結晶１２を矢印１０ａ方向に引上げることにより種結晶１２の下端から化合物半導体の単結晶１７を成長させる方法である。
【００１０】
このＬＥＣ法においては、るつぼ９の回転数（るつぼ軸回転数）は、図４に示すように種付け部から定径部の成長まで一定に制御するのが一般的である。すなわち、種付け部１７ａ、増径部１７ｂ及び定径部１７ｃの各成長過程に係わらず、るつぼ９の回転数は一定である。なお、図４においては、るつぼ９の回転数を１５ｒｐｍとして記載しているが、任意に設定できることは当然である。
【００１１】
なお、図４は従来の化合物半導体単結晶の製造方法における、るつぼの回転数と種結晶の種付け後の引上げ長さとの関係を示す図であり、横軸が引上げ長さを示し、縦軸が回転数を示している。
【００１２】
ここで、従来技術を用いて化合物半導体の一種である砒化ガリウム（以下「ＧａＡｓ」という。）を成長させる場合について図３を参照して説明する。
【００１３】
直径が２８０ｍｍのＰＢＮ製のるつぼ９及び１０ｍｍ角の矩形断面形状の種結晶１２を用い、るつぼ９、種結晶１２を相対的に回転させて定径部１７ｃの直径が１１０ｍｍ、長さが４００ｍｍのＧａＡｓの単結晶１７の成長を５０回行った。その結果、種付けから単結晶成長最終部まで全域単結晶（Ａｌｌ  Ｓｉｎｇｌｅ）の割合は５０％以下であった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＬＥＣ法を用いて化合物半導体の単結晶を成長するのは非常に難しく、成長炉１４のヒータ５及び熱シールド治具６〜８等の部材（ホットゾーンと呼ばれる。以下「ＨＺ」という。）の配置、形状、材質等により、単結晶の成長に影響を及ぼすため、再現性の良い単結晶の成長条件を得るのは難しい。
【００１５】
単結晶の再現性を向上させるための要因としては、ＨＺの配置、形状、材質等のＨＺに係わるものであると考えられていたが、根本的には固化した単結晶と原料融液との界面（以下「固液界面」という。）の形状をいかに制御するかが、再現性の良い単結晶を得るための大きな要因であることが明確になってきた。
【００１６】
図５は図３に示した成長炉を用いた成長中の単結晶の部分拡大図である。
【００１７】
なお、図３に示した部材と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００１８】
原料融液１５及び単結晶１７の界面（固液界面）の形状と、単結晶１７の収率との関係は、固液界面が原料融液１５側に凹字断面形状の場合（一点鎖線Ｌ１で示す。）は、単結晶１７の成長過程全般、または成長のある一定期間に係わらず、結晶欠陥であるリネージ（一部の方向がわずかにずれていること）や亜粒界（亜結晶粒界）が集積されやすくなって多結晶化しやすいので、単結晶１７の収率が低下してしまう。
【００１９】
単結晶１７の収率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わたり、原料融液１５側に凸字断面形状（二点鎖線Ｌ２で示す。）になるように制御することである。結晶欠陥であるリネージや亜粒界の集積は、特に種付け部１７ａから定径部１７ｃまでの成長初期の段階で発生している場合が多い。このため、種付け部１７ａから定径部１７ｃまでの成長初期段階での固液界面形状を再現性良く原料融液１５側に凸字断面形状に制御することが特に重要である。しかしながら、現状では、固液界面形状を再現性良く原料融液１５側に凸字断面形状に制御することは技術的に困難であり、化合物半導体単結晶の収率が低下する要因となっていたという問題があった。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、収率を大幅に向上させた化合物半導体単結晶の製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、るつぼ内に化合物半導体の原料及び封止剤を収容し、不活性ガスを充填した成長炉内でるつぼを加熱して原料及び封止剤を融解し、その原料融液に種結晶を接触させた後、るつぼ、及び種結晶を鉛直な中心軸のまわりに回転させると共に、種結晶を鉛直に引上げることにより種結晶から化合物半導体の単結晶を成長させる化合物半導体単結晶の製造方法において、種付け部からある引上げ長さまでのるつぼの回転数をそれ以降のるつぼの回転数未満とするものである。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、種付け部からある引上げ長さまでのるつぼの回転数を一定の割合で増加させるのが好ましい。
【００２３】
本発明によれば、種付け部からある引上げ長さまでの成長初期段階において、るつぼの回転数を、それ以降の回転数より小さくすることにより、単結晶の成長過程、特に成長初期段階での固液界面形状を再現性良く原料融液側に凸字断面形状になるように制御することができ、化合物半導体単結晶の収率を大幅に向上させることができる。
【００２４】
ここで、ＬＥＣ法では、コストの面から、種結晶の断面積を目標とする結晶断面積よりも小さい結晶を用い、種付け部、増径部、定径部及び尾部の順に結晶成長を行うのが一般的である。また、るつぼの回転数は、種付け部、増径部、定径部及び尾部に係わらず、一定とするのが一般的である。
【００２５】
また、固液界面形状は、原料融液における単結晶の径方向の温度分布によって決定されるが、原料融液内の対流も固液界面形状に大きな影響を及ぼす。一般に、るつぼの回転数が小さい場合、成長初期段階では固液界面形状は原料融液側に凸字断面形状になり、定径部に近づくに伴い固液界面形状は反転し原料融液側に凹字断面形状になる。また、るつぼ回転数が大きい場合、成長初期段階では固液界面形状は原料融液側に凹時形状になり易く、定径に近づくに伴い固液界面形状は原料融液側により凸字断面形状になる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２７】
図１は本発明の化合物半導体単結晶の製造方法における、るつぼの回転数と種結晶の種付け後の引上げ長さとの関係を示す図であり、横軸が引上げ長さを示し、縦軸がるつぼの回転数を示している。なお、図１においては種付け時のるつぼの回転数を２ｒｐｍ、引上げ長さ４０ｍｍ時のるつぼ回転数を１５ｒｐｍとし、種付け時から引上げ長さ４０ｍｍで一定の割合でるつぼ回転数が増加する条件を示しているが、これに限定されるものではなく、引上げ長さ、結晶径に対応した固液界面形状とるつぼ回転数の関係を予め把握し、固液界面形状の原料融液側に最も凸字断面形状となる条件に設定することが望ましい。
【００２８】
本製造方法は、図３に示す、るつぼ９内に化合物半導体の原料（固体）１５及び封止剤（固体）１６を収容し、不活性ガスを充填した成長炉１４内でるつぼ９を加熱して原料１５及び封止剤１６を融解し、その原料融液１５に種結晶１２を接触させた後、例えばるつぼ９を矢印３ａ方向に回転させると共に、例えば種結晶１２を矢印３ｂ方向に回転させながら矢印１０ａ方向に引上げることにより種結晶１２の下端から化合物半導体の単結晶１７を成長させる際に、種結晶１２を原料融液１５と接触させてからある引上げ長さまでのるつぼ回転数を、それ以降の回転数未満とするものである。
【００２９】
種結晶１２を原料融液１５と接触させてからある引上げ長さに成長するまでの、るつぼ９の回転数は一定の割合で増加させるのが好ましい。
【００３０】
図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の化合物半導体単結晶の製造方法を適用した化合物半導体単結晶の増径部の成長状態を示す図であり、図２（ａ）は種結晶を原料の融液に接触した状態を示し、図２（ｂ）は増径部を引上げている状態を示し、図２（ｃ）は定形部を引上げている際の状態を示している。
【００３１】
このようにして単結晶１７を成長させることにより、単結晶１７の成長過程、特に種付け部１７ａから定径部１７ｃの一部を含む一定の長さまでの成長初期段階での固液界面形状を再現性良く原料融液１５側に凸字断面形状に制御することができ、単結晶１７の収率を大幅に向上させることができる。
【００３２】
【実施例】
次に図３を参照して具体的な数値を挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
直径が２８０ｍｍのＰＢＮ製のるつぼ９及び１０ｍｍ角の矩形断面形状の種結晶１２を用い、定径部１７ｃの直径が１１０ｍｍ、長さが４００ｍｍのＧａＡｓの単結晶１７の成長を５０回行った。なお、この場合のるつぼ９の回転数は、種付け部１７ａで２ｒｐｍ、引上げ長さ４０ｍｍの時点で１５ｒｐｍとし、種付け部１７ａから引上げ長さ４０ｍｍまでのるつぼ９の回転数は一定の割合（引上げ長さに対し、０．３２５ｒｐｍ／ｍｍの割合でるつぼの回転数が増加する）で増加するようにした。この結果、単結晶の種付けから単結晶の成長最終部まで全域単結晶は９５％以上の高い割合で得られた。なお、引上げ長さ４０ｍｍの時点での結晶直径は４５から５５ｍｍとなるように調整した。
【００３４】
また、成長完了後の単結晶の固液界面形状を確認したところ、従来技術で成長させた単結晶の固液界面形状と比較し、原料融液１５側への凸状の度合いが大きくなっていた。特に、成長初期段階である単結晶１７の増径部１７ｂでの固液界面の原料融液１５側への凸状の度合いが定径部１７ｃの凸状の度合いに比べて相対的に大きくなっていた。
【００３５】
（実施例２）
なお、上記実施例ではＧａＡｓ単結晶の成長の場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ等のＬＥＣ法で結晶成長を行う化合物半導体単結晶の成長方法や成長装置の場合についても同様の効果が得られる。
【００３６】
本発明による製造方法やその製造方法を適用した装置（図示せず。）で得られる化合物半導体単結晶は、従来技術よりも全域単結晶の確率が高いだけでなく、従来技術で得られた化合物半導体単結晶に比べ、転位の集積部が少ない傾向にある。これは、従来技術の場合は、全域単結晶であっても、リネージ、亜粒界には発展しないまでも転位が集積していることを示している。本発明で得られる化合物半導体単結晶のウェハを用いて素子を形成した場合、転位に基づく素子歩留まりの低下を防止することができる。このため、工業生産における経済的効果は多大なものがある。
【００３７】
ＬＥＣ法での化合物半導体単結晶を成長させる際に、種付け部からある引上げ長さまでの上記るつぼの回転数がそれ以降の回転数未満とすることで、成長過程、特に種付け部から定径部までの成長初期段階での固液界面形状を再現性良く原料融液１５側に凸字断面形状に制御することで化合物半導体単結晶の収率を大幅に向上させることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、収率を大幅に向上させた化合物半導体単結晶の製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体単結晶の製造方法における、るつぼの回転数と種付け部からの引上げ長さとの関係を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の化合物半導体単結晶の製造方法を適用した化合物半導体単結晶の成長状態を示す図であり、（ａ）は種結晶を原料の融液に接触した状態を示し、（ｂ）は増径部を引上げている状態を示し、（ｃ）は定形部を引上げている際の状態を示している。
【図３】化合物半導体単結晶を製造するための成長炉の概念図である。
【図４】従来の化合物半導体単結晶の製造方法における、るつぼの回転数と種付け部からの引上げ長さとの関係を示す図である。
【図５】図３に示した成長炉を用いた成長中の単結晶の部分拡大図である。
【符号の説明】
１  チャンバ
２  るつぼサセプタ
３  るつぼ軸
４  回転、昇降手段
５  ヒータ
６〜８  熱シールド治具
９  るつぼ
１０  引上げ軸
１１  回転、昇降手段
１２  種結晶
１３  ホルダ
１４  成長炉
１５  原料（固体、液体）
１６  封止剤（固体、液体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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