(57)【要約】【課題】種結晶成長後の結晶径を規定することにより、結晶肩部上部からの輻射伝熱および放熱を促進させ、固液界面の凹面化を抑止することができる化合物半導体単結晶の製造方法を提供すること。【解決手段】種付けを行った後、ある程度の結晶径ｄまで種結晶を成長させ、当該種結晶の成長後に、より大きい径Ｄの結晶を引き上げる。好ましくは、上記種結晶成長後の引き上げ開始時における結晶径をｄ、育成する化合物半導体単結晶径をＤとしたとき、係数α＝ｄ／Ｄの値を、０．３０≦α＜０．８０の範囲とし、最適には０．５０≦α＜０．８０の範囲に定める。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐圧容器内の加熱されたルツボに原料融液及び液体封止剤を収納し、種結晶を原料融液に接触させつつ種結晶とルツボとを相対的に移動させて、化合物半導体単結晶を成長させるＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、
種付けを行った後、ある程度の結晶径まで種結晶を成長させ、当該種結晶の成長後に、より大きい径の結晶を引き上げ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】
請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記種結晶成長後の引き上げ開始時における結晶径をｄ、育成する化合物半導体単結晶径をＤとしたとき、係数α＝ｄ／Ｄの値を、
０．３０≦α＜０．８０
の範囲に定め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３】
請求項２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記係数α＝ｄ／Ｄの値を、
０．５０≦α＜０．８０
の範囲に定めることを特徴とする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、ＧａＡｓ単結晶を成長するのに適したＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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早く、１０７Ω・ｃｍ以上の比抵抗のウエ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】
ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法を図３によって説明する。
【０００４】
図３に示すＬＥＣ法ＧａＡｓ単結晶製造装置は、耐圧容器であるチャンバー９と、結晶を引き上げる為の引上軸１と、化合物半導体原料を収容する容器であるＰＢＮ製ルツボ７と、ルツボを支持受ける為のルツボ軸８を有する構造となっている。
【０００５】
結晶製造方法については、先ず原料の容器となるＰＢＮ製ルツボ７に、ＧａとＡｓ、及びＡｓの揮発を防止する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内にセットする。又、引上軸１の先端に目的の方位を持った種結晶２を取りつける。
【０００６】
チャンバー９に原料をセットした後、チャンバー９内を真空にし、不活性ガスを充填する。その後、チャンバー９内に設置してあるカーボンヒータ５に通電し、チャンバー９内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成しＧａＡｓ６の多結晶を作成する。その後、更に昇温させＧａＡｓ６を融液化させる。
【０００７】
続いて、引上軸１、ルツボ軸８を相対的に回転させる。この状態で引上軸１を先端に取り付けてある種結晶２がＧａＡｓ６融液に接触するまで下降させる。その後、この種結晶２を回転させながらゆっくりと引き上げることで、単結晶３を成長させる方法である。
【０００８】
上記ＧａＡｓの単結晶を成長する場合、結晶が有転位結晶であるため転位集合防止のために、その固液界面形状は融液側に凸となる形状で行うのが一般的である。
【０００９】
従来、固液界面形状の凹面化を抑制して多結晶化を防止するための種々な方法が試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
この特許文献１の特開平８−９１９９１号公報には、任意に定めた基準点とルツボ内のメルト位置との最適距離関係を単結晶引上げ長さに応じて予め設定し、単結晶引上げ中、単結晶引上げ長さが任意の長さになった時点で、融液面（メルト面）の位置を検出し、検出した融液面位置が基準点に対して最適距離関係を満足するように、上軸及び下軸の上昇速度を調整する技術が開示されている。ここで融液面とは、単結晶と原料融液との固液界面を言い、近似的には原料融液層と封止剤融液層との界面である。基準点は、融液面位置との距離関係を検出するために任意に定めた点であって、特に制約はなく、例えばヒータの特定の箇所を基準点として定めても良い。この技術は、ヒータの特定箇所等に定めた基準点と融液面との最適距離関係を満足させることによって、結晶肌荒れ現象の発生を抑制することができるというものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−９１９９１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術の場合、適正な位置関係について具体的に明らかにされていないし、肌荒れ現象を低減するための適正な位置関係についての共通の原則が示されていない。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の重要性は小口径結晶よりも増し、安定的に融液側に凸であることが必要となる。
【００１３】
詳述するに、結晶欠陥の発生を左右する固液界面形状は、炉内の熱の流れと密接な関係がある。ＧａＡｓ融液からの輻射熱により、炉内上部の温度は暖められる。炉内上部が暖められることにより、成長した結晶からの放熱が悪くなる。一般的に結晶からの放熱を悪くすると、固液界面形状が凹面になりやすいことが分かっている。転位は固液界面に垂直に伝播する為、固液界面が凹面の場合、そこに転位が集合し多結晶化になり、結晶の品質を悪くする。
【００１４】
ところが従来の化合物半導体単結晶成長条件では、化合物半導体単結晶からの輻射熱および放熱が十分ではなく、固液界面が凹面化するという問題があった。凹面化が進むと、化合物半導体単結晶が成長する過程において結晶格子がずれ、多結晶化が促進されることが知られている。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、種結晶成長後の結晶径を規定することにより、結晶肩部上部からの輻射伝熱および放熱を促進させ、固液界面の凹面化を抑止することができる化合物半導体単結晶の製造方法を提供することにある。
【００１６】
【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。
【００１７】
請求項１の発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、耐圧容器内の加熱されたルツボに原料融液及び液体封止剤を収納し、種結晶を原料融液に接触させつつ種結晶とルツボとを相対的に移動させて、化合物半導体単結晶を成長させるＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、種付けを行った後、ある程度の結晶径まで種結晶を成長させ、当該種結晶の成長後に、より大きい径の結晶を引き上げることを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、上記種結晶成長後の引き上げ開始時における結晶径をｄ、育成する化合物半導体単結晶径をＤとしたとき、係数α＝ｄ／Ｄの値を、０．３０≦α＜０．８０の範囲に定めることを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、上記係数α＝ｄ／Ｄの値を、０．５０≦α＜０．８０の範囲に定めることを特徴とする。
【００２０】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、育成する化合物半導体結晶に対して種結晶成長後の引上げ開始時における結晶径（インチ径）を規定し、種結晶成長後の結晶径ｄと育成する化合物半導体単結晶の径Ｄに対して、α＝ｄ／Ｄとしたとき係数αの値が０．３０以上０．８０未満と設定した点にある。
【００２１】
上記の手段を取った理由は下記の通りである。
【００２２】
多結晶化の原因である転位の集合は、固液界面が凹面になることにより発生することが過去の研究で報告されている。本発明では、種結晶成長後の結晶径ｄと育成する化合物半導体単結晶の径Ｄに対して、α＝ｄ／Ｄとしたとき、係数αの値が０．３０以上０．８０未満とされている。係数αの値が０．３０以上であれば、種結晶成長直後の結晶肩部の表面積が大きいことにより、化合物半導体単結晶からの輻射伝熱および放熱が効率良く行われる。そのため、化合物半導体単結晶と化合物半導体融液との固液界面の凹面化が抑止される。ひいては化合物半導体単結晶の多結晶化が抑止され、高品質の化合物半導体単結晶を作製することが可能となる。換言すれば、係数αの値が０．３０未満では種結晶成長直後の結晶肩部の表面積が小さすぎるため、係数αの値を０．３０以上とする必要がある。一方、係数αの値が０．８０以上の場合は、結晶成長中に三酸化硼素が化合物半導体単結晶上に付着し、急激に冷えることにより、結晶肩部にクラックが生じる可能性がある為、０．８０未満にする必要がある。
【００２３】
また、単結晶化の歩留りでみたとき、上記係数α＝ｄ／Ｄの値を０．５０≦α＜０．８０に定めたとき最大になることから、これを最適条件として設定した。
【００２４】
【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。
【００２５】
本発明の効果を確認するため、以下のように実施例及び比較例についてＧａＡｓ単結晶成長の試作を行った。前提となる製造装置には上記した図３のものを用いた。
【００２６】
すなわち、図１に示すように、不活性ガスを充填した耐圧容器（高温炉）たるチャンバー９内には、下側からルツボ軸８（下軸）が挿入され、このルツボ軸８の先端にＰＢＮ製ルツボ７が支持されている。ＰＢＮ製ルツボ７の周囲にはカーボンヒータ５が設けられており、ＰＢＮ製ルツボ７を周囲から加熱できるようになっている。ルツボ軸８は図示しない回転機構に接続されており、一定の回転速度で回転されるようになっている。また、チャンバー９の上側からはルツボ軸８と同軸的に引上軸（上軸）１が挿入され、その下端に所望の方位を持った種結晶２（通常、方位として（１００）が用いられる）が取り付けられる。この引上軸１は、図示しない回転・昇降機構によってＰＢＮ製ルツボ７とは逆向きに軸回転されると共に、昇降移動されるようになっている。
【００２７】
そして、チャンバー９内に収容され加熱されたルツボ５にＧａＡｓ６の原料融液、液体封止剤の三酸化硼素４を収納し、種結晶２を原料融液に接触させつつ種結晶２とＰＢＮ製ルツボ７とを相対的に移動させて、ＬＥＣ法により化合物半導体単結晶を成長した。その際、種付けを行った後、図１に示すように、ある程度の結晶径ｄまで種結晶を成長させ、当該種結晶の成長後に、より径の大きい直径Ｄの単結晶を引き上げるようにした。
【００２８】
ここでは、試作例として、６インチのＧａＡｓ単結晶成長を実施した。そして、種結晶成長後の引き上げ開始時における種結晶径（引き上げ直前の結晶径）をｄ、育成するＧａＡｓ単結晶径をＤとしたとき、ｄのＤに対する割合を示す係数α＝ｄ／Ｄの値を、０．１０から１．００まで０．０５間隔で変化させて成長した。
【００２９】
上記６インチ単結晶の成長引上げを実施し、係数αの値の変化に対して、単結晶の生産歩留りの割合を調べた。この結果、図２に示すように、係数αの値が０．８０以上の場合には、結晶成長中に三酸化硼素が結晶肩部上に付着し、急激に冷やされることによって、クラックが生じ、歩留りを悪化させていることが分かった。また、係数αの値０．３０以上で急激に歩留りが良くなり、係数αの値が０．５０からピークとなることが分かった。
【００３０】
上記の結果から、係数αの値を０．３０以上０．８０未満（０．３０≦α＜０．８０）とすることにより、歩留りの良い化合物半導体単結晶の作製を行なうことが出来ることが判った。また、最適な範囲としては係数α＝ｄ／Ｄの値を、０．５０≦α＜０．８０の範囲にするのが良いことが判った。
【００３１】
上記実施例では、ＧａＡｓ単結晶をＬＥＣ法により製造する方法を例にして説明したが、本発明はＧａＡｓ以外の他の化合物半導体単結晶をＬＥＣ法により製造する方法についても適用することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、種付けを行った後、ある程度の結晶径ｄまで種結晶を成長させ、当該種結晶の成長後に、より大きい径Ｄの結晶を引き上げる。好ましくは、上記種結晶成長後の引き上げ開始時における結晶径をｄ、育成する化合物半導体単結晶径をＤとしたとき、係数α＝ｄ／Ｄの値を、０．３０≦α＜０．８０の範囲とし、最適には０．５０≦α＜０．８０の範囲に定める。このようにすると、結晶肩部上部からの輻射伝熱および放熱が促進されるため、本発明の効果として、理想的な固液界面形状を形成することが可能となり、高品質の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ＧａＡｓ単結晶製造方法における種結晶の成長段階を示した概略図である。
【図２】本発明における係数α（引き上げ開始時の結晶径ｄと育成する化合物半導体単結晶径Ｄの比ｄ／Ｄ）の値を変化させたときの単結晶の生産歩留りの変化を示すグラフである。
【図３】本発明の方法を適用したＧａＡｓ単結晶製造装置の概略図である。
【符号の説明】
１  引上軸
２  種結晶
３  単結晶
４  三酸化硼素
５  カーボンヒータ
６  ＧａＡｓ
７  ＰＢＮ製ルツボ
８  ルツボ軸
９  チャンバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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