(57)【要約】【課題】ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、ヒータの非発熱領域長さと原料融液の液相高さとの関係を規定することにより、固液界面の融液面に対する凹面化を防ぎ、全域単結晶の生産歩留りを向上させる。【解決手段】化合物半導体単結晶９を引き上げ育成する初期段階で、原料融液４である液相の最下面の位置を、抵抗加熱ヒータ５の発熱部の領域から下に外す。具体的には、原料融液４の液相の高さをＴ、液相がヒータ５下端より下方に突出している長さ（ヒータの非発熱領域長さ）をＬ２とし、α＝Ｌ２／Ｔとおいたときに、０．１０≦α≦０．２５の位置関係で製造する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料及び封止剤を入れたルツボの周囲を取り囲んで筒状の抵抗加熱ヒータを配置し、この抵抗加熱ヒータによりルツボを加熱して内部の原料及び封止剤を融解し、融解した原料融液に種結晶を接触させてこれを徐々に引き上げることにより単結晶を育成するＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記ＬＥＣ法により化合物半導体単結晶を引き上げ育成する製造初期段階で、上記原料融液である液相の最下面の位置を、上記抵抗加熱ヒータの発熱部の領域から下に外す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、
上記抵抗加熱ヒータの発熱部下端から上記原料融液の液相最下面の位置までの上下方向長さをＬ２とし、上記原料融液の液相の高さをＴとしたとき、
その原料融液の液相の高さＴと、非発熱領域長さＬ２の関係を
０．１０≦Ｌ２／Ｔ≦０．２５
に設定す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１又は２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
上記ヒータの発熱部の上下方向長さのほぼ中央位置に、前記原料融液の最上面が来るように液面制御す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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体封止チョクラルスキー法（ＬＥＣ法）を用いた化合物半導体単結晶の製造方法に係り、特に半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の製造方法に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
図３に示すＬＥＣ法のＧａＡｓ単結晶成長装置は、炉体部分である高圧容器１と、結晶を引き上げる為の引上軸（シード軸）７と、原料の容器であるＰｙｒｏｌｉｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ（略称：ＰＢＮ）製のルツボ（ＰＢＮルツボ）３と、このＰＢＮルツボ３を受ける為のルツボ軸８と、上記ＰＢＮルツボ３の周囲を取り巻いて設置された加熱手段としてのグラファイトヒータ５とを有する構造となっている。このとき使用するグラファイトヒータ５は略円筒形であり、その壁に上端および下端から縦方向に上部スリットおよび下部スリットを交互に設けた形状をしている。
【０００４】
ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の成長方法については、図３において、先ず原料の容器となるＰＢＮルツボ３に、化合物半導体原料のＧａ及びＡｓと、Ａｓの揮発防止剤（液体封止剤）である三酸化硼素４を入れ、これを高圧容器１内にセットする。又、引上軸７の先端に結晶の元となる種結晶２を取り付ける。原料をセットした後、高圧容器１内を真空にし、不活性ガスを充填（真空・ガス置換）する。
【０００５】
その後、高圧容器１内にＰＢＮルツボ３を取り巻いて設置してあるヒータ５に通電し、高圧容器１内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成し融液化させて、ＧａＡｓ融液６とする。
【０００６】
次に、ＰＢＮルツボ３を移動させ、ＧａＡｓ融液６の最上面の位置を、ヒータ５の発熱する部分（発熱部）の中心位置と一致させる。
【０００７】
次いで、引上軸７、ルツボ軸８を回転方向が逆になるように回転させつつ、引上軸７を、先端に取り付けてある種結晶２がＧａＡｓ融液６に接触するまで下降させる。続いて、ヒータ５の出力の調整により高圧容器１内の温度を徐々に下げつつ、引上軸７を一定の速度で上昇させることで、種結晶２（種付け部）から徐々に直胴部まで太く結晶を成長させる。目標とする結晶直径となったならば、直径を一定に保つため、直胴部の外形を制御しつつＧａＡｓ単結晶９を成長する。
【０００８】
ところで、上記のＬＥＣ法によってＧａＡｓ単結晶の成長に際しては、結晶が多結晶化するのを防止して単結晶部分をできるだけ長くすることが好ましい。単結晶部分が長ければ、１本の材料からより多くのウェハをスライスすることができ、また引上げ炉の準備時間と準備回数を削減でき、さらには特性評価の回数も減らすことができる。また、引き上げに用いる消耗品（ルツボ、封止剤）費用の原価に対する割合を下げることができる。
【０００９】
上記の多結晶化の原因は主として２つあり、一つは固液界面形状が凹凸になり、その部分に熱応力が集中して転位が発生して起こるものであり、他の一つは結晶の表面荒れ、つまり結晶表面が輻射熱を受けて高温となり、Ａｓが解離して残されたＧａが表面を伝わって固液界面に達して起こるものである。
【００１０】
前者の原因を解消すべく、ヒータの発熱量の制御、ヒータやホットゾーンの形状等を改良する試みがなされている。例えば、ルツボの中心位置での深さＤｍと、ヒータの発熱長Ｌｈとに着目し、０．２≦Ｄｍ／Ｌｈ≦０．５という条件下で成長させるもの（例えば、特許文献１参照。）や、ルツボの内壁面と単結晶との間隔をある所定の範囲に設定して、メニスカスを安定して単結晶の外径変動を抑えるもの（例えば、特許文献２参照。）がある。
【特許文献１】特開平１０−２７９３８２号公報
【特許文献２】特許第２７０７７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来では、ヒータの発熱部下端から原料融液の液相最下面までの上下方向長さ（非発熱領域長さ）Ｌ２と、上記原料融液の液相高さＴとの関係を規定したものはない。
【００１２】
既に触れたように、ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の成長における多結晶化の原因の１つとして、結晶成長中の固相と液相の界面（固液界面）の形状が液相側に凹面形状となっていることが挙げられる。凹面形状になると、多結晶化の原因となる転位は固液界面に垂直に伝播するので、転位が集合し、多結晶化してしまう。
【００１３】
この凹面形状化の原因として、融液中の対流の影響が挙げられる。すなわち結晶回転による強制対流と、融液内の温度差による自然対流の相互関係が固液界面形状に大きな影響を与えている。
【００１４】
ところが、従来技術では、ＧａＡｓ融液の全長をヒータの発熱領域内に位置させて成長を行っていることから、強制対流が自然対流より支配的となり、固液界面が凹面形状となり、転位が集中し多結晶化する。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ヒータの非発熱領域長さＬ２と原料融液の液相高さＴとの関係を規定することにより、固液界面の融液面に対する凹面化を防ぎ、全域単結晶の生産歩留りを向上し得るＬＥＣ法によ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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、原料及び封止剤を入れたルツボの周囲を取り囲んで筒状の抵抗加熱ヒータを配置し、この抵抗加熱ヒータによりルツボを加熱して内部の原料及び封止剤を融解し、融解した原料融液に種結晶を接触させてこれを徐々に引き上げることにより単結晶を育成するＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、上記ＬＥＣ法により化合物半導体単結晶を引き上げ育成する製造初期段階で、上記原料融液である液相の最下面の位置を、上記抵抗加熱ヒータの発熱部の領域から下に外すことを特徴とする。
【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、上記抵抗加熱ヒータの発熱部下端から上記原料融液の液相最下面の位置までの上下方向長さをＬ２（非発熱領域長さ）とし、上記原料融液の液相の高さをＴとしたとき、その原料融液の液相の高さＴと、非発熱領域長さＬ２の関係を０．１０≦Ｌ２／Ｔ≦０．２５に設定することを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、上記ヒータの発熱部の上下方向長さのほぼ中央位置に、前記原料融液の最上面が来るように液面制御することを特徴とする。
【００２０】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、ＬＥＣ法により化合物半導体単結晶を引き上げ育成する製造初期段階において、原料融液である液相の最下面の位置を、抵抗加熱ヒータの発熱部の領域から下に外すようにすること、具体的には、液相がヒータ下端より下方に突出している長さ（ヒータの非発熱領域長さ）Ｌ２に対する液相の高さＴの割合、α＝Ｌ２／Ｔを、０．１０≦α≦０．２５とする位置関係で製造することにより、多結晶化を防ぐことができることを見出した点にある。本発明はかかる発明者等の知見に基づきなされたものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ＬＥＣ法により化合物半導体単結晶を引き上げ育成する製造初期段階で、原料融液である液相の最下面の位置を、抵抗加熱ヒータの発熱部の領域から下に外すようにしたので、原料融液の強制対流を抑えることができ、固液界面形状の凹面化による及び結晶表面からのＡｓの揮発による多結晶化を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２３】
前提となる成長装置の構成は、ＬＥＣ法により化合物半導体単結晶を引き上げる製造初期段階におけるヒータとルツボの相対的位置関係を除き、図３について上述したところと同一とした。すなわち、この化合物半導体単結晶成長装置は、原料融液を収容するＰＢＮルツボ３と、このＰＢＮルツボ３を受ける為のルツボ軸８と、ＰＢＮルツボ３内の原料融液及び液体封止剤を加熱すべくＰＢＮルツボ３の周囲を取り巻いて設置された抵抗加熱ヒータとしてのグラファイトヒータ５と、上記原料融液に接触させた種結晶２を支持し、上記原料融液６から成長する結晶を引き上げる引上軸７とを有する。
【００２４】
ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法については、図３の場合と同様に、図１において高圧容器１内にＧａ、Ａｓ及び種結晶２を配置したＰＢＮルツボ３に三酸化硼素４を入れ、真空・ガス置換を実施する。その後、高圧容器１内をヒータ５により融点温度以上に加熱し、ＧａＡｓ融液６を形成する。ＰＢＮルツボ３を移動させ、ＧａＡｓ融液６最上面の位置をヒータ５の発熱する部分の中心の位置と一致させる。その後、引上軸７の種結晶２を下降させＧａＡｓ融液６に接触させ、ヒータ５の出力の調整により、高圧容器１内の温度を徐々に下げ、単結晶９を成長させる。
【００２５】
ただし、従来では引き上げ中、ＧａＡｓ融液６全長をヒータ５発熱領域内に位置させるのに対し、この実施例では、製造初期段階においてヒータとルツボの相対的位置関係を次のように定める。すなわち、上記ＬＥＣ法により化合物半導体単結晶を引き上げ育成する製造初期段階では、上記ＧａＡｓ融液６の液相最下面の位置を、ヒータ５の発熱部の領域から下に外す。具体的には、図１に示すように、ヒータ５の発熱部下端からＧａＡｓ融液４の液相最下面の位置までの上下方向長さをＬ２（非発熱領域長さ）とし、ＧａＡｓ融液４の液相の高さをＴとして、α＝Ｌ２／Ｔとおいたときに、その原料融液の液相の高さＴと、非発熱領域長さＬ２の関係を０．１０≦α≦０．２５の位置関係にして製造する。そして、ヒータ５の発熱部の上下方向長さのほぼ中央（ヒータ下端からの距離Ｌ１）の位置に、ＧａＡｓ融液６の最上面が来るように液面制御する。
【００２６】
ここで、上記原料融液の液相の高さＴに対する非発熱領域長さＬ２の割合：α＝Ｌ２／Ｔの下限を０．１０以上としたのは、α＝Ｌ２／Ｔの値が０．１０より小さくなると、強制対流が自然対流と比較して支配的となり、固液界面が凹面形状となり、転位が集中し多結晶化するためである。また上記α＝Ｌ２／Ｔの上限を０．２５以下としたのは、０．２５より大きくなると、ヒータ発熱領域から液相部分が多く外れる為、液相の一部が相変化し固相となる。よって、製造中の単結晶と接触してしまい、外径が乱れ、固液界面形状が不安定となり多結晶化してしまうためである。
【００２７】
表１に、液相の高さＴとヒータ非発熱領域長さＬ２の関係による不具合理由をまとめて示す。
【表１】
2005298255.tif 000003
本発明の効果を確認するため、次の如くＧａＡｓ単結晶を製造した。
【００２８】
＜実施例１＞
通常のＬＥＣ法の高圧炉を用い、ガリウム１０，０００ｇ、砒素１０，５００ｇ及び封止剤である酸化硼素２，３００ｇをＰＢＮルツボ３内に収納する。液相の高さＴに対するヒータ非発熱領域の長さＬ２の割合（α）を０．２０の関係（α＝０．２０）におき、融点温度以上に加熱しＧａＡｓ融液４を形成した後、単結晶の引き上げ育成を行ない、直径約１１５mmで重量約１７，０００ｇのＧａＡｓ単結晶９を作製した。
【００２９】
以上の条件で、５０本の結晶を作製した結果、全域単結晶の生産歩留りは９６％であった。
【００３０】
＜他の実施例＞
上記実施例１と異なる条件での試作例を図２に示す。ここでは、液相の高さＴとヒータ非発熱領域の長さＬ２の関係（α）を、α＝０．００〜１．００まで、０．０３〜０．１０のステップ間隔で段階的に変化させて、計５０本の結晶を作製した。
【００３１】
その結果、α＝Ｌ２／Ｔがほぼ０．１０からほぼ０．２５の範囲におけるサンプル（実施例）については、全域単結晶の生産歩留りが９０％を越え、高い単結晶歩留が得られた。これは本発明の０．１０≦α≦０．２５の範囲と一致することとなった。
【００３２】
上記実施例ではＧａＡｓ単結晶を製造する場合について述べたが、本発明はＧａＡｓに限定されるものではなく、ＧａＰ、ＩｎＰ等の全ての化合物半導体の製造に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明によるＧａＡｓ単結晶の製造方法を示す図である。
【図２】原料融液の液相の高さＴに対する非発熱領域長さＬ２の比：α＝Ｌ２／Ｔと、全域単結晶の生産歩留りの関係を示した図である。
【図３】従来のＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  高圧容器
２  種結晶
３  ＰＢＮルツボ
４  三酸化硼素
５  ヒータ（グラファイトヒータ）
６  原料融液（ＧａＡｓ融液）
７  引上軸
８  ルツボ軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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