(57)【要約】【課題】安定した半導体結晶を歩留まり良く得ることができる半導体結晶の製造方法を実現する。【解決手段】ルツボ３内に収容した原料７及び液体封止材８を加熱、溶融し、ルツボ内に生成した原料融液に種結晶４を接触させつつ該種結晶を引上げて成長結晶１１を得る半導体結晶の製造方法において、引上げる半導体結晶の頭部１１ａにガス吹き付け装置１２によって窒素又はアルゴン又は二酸化炭素又は一酸化炭素のガスを吹き付けて前記半導体結晶内の軸方向の温度勾配を８〜１５℃／ｍｍに制御することにより、安定した単結晶を歩留まり良く製造する。【選択図】図１
2012171840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルツボ内に収容した原料及び液体封止材を加熱、溶融し、ルツボ内に生成した原料融液に種結晶を接触させつつ該種結晶を引上げて単結晶を得る半導体結晶の製造方法において、
引上げる半導体結晶にガスを吹き付けることにより前記半導体結晶内の軸方向の温度勾配を制御することを特徴とする半導体結晶の製造方法。
【請求項２】
ルツボ内に収容した原料及び液体封止材を加熱、溶融し、ルツボ内に生成した原料融液に種結晶を接触させつつ該種結晶を引上げて単結晶を得る半導体結晶の製造方法において、
引上げる半導体結晶に不活性ガスを吹き付けることにより前記半導体結晶内の軸方向の温度勾配を８〜１５℃／ｍｍに制御することを特徴とする半導体結晶の製造方法。
【請求項３】
ルツボ内に収容した原料及び液体封止材を加熱、溶融し、ルツボ内に生成した原料融液に種結晶を接触させつつ該種結晶を引上げて単結晶を得る半導体結晶の製造方法において、
引上げる半導体結晶に窒素又はアルゴン又は二酸化炭素又は一酸化炭素のガスを吹き付けることにより前記半導体結晶内の軸方向の温度勾配を制御することを特徴とする半導体結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルツボ内に収容した半導体融液に種結晶を接触させて該種結晶の接触部を半導体融液の融点温度まで下げ、その後、種結晶を引上げることにより半導体融液を徐々に固化させて結晶を成長させる半導体結晶の製造方法に関するのである。
【背景技術】
【０００２】
半導体結晶の製造方法の１つであるＬＥＣ法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法）によりＧａＡｓ単結晶を製造する製造方法について説明する。
【０００３】
図２は、ＬＥＣ法により単結晶を製造するための従来の製造装置を示している。圧力容器からなる成長炉１内には、単結晶を引上げるための回転及び昇降自在な引上げ軸（上軸）２が成長炉１の上方から炉内に垂下するように挿入され、炉内に設置されているルツボ３に対峙する。この引き上げ軸２の先端（下端）に種結晶（シード結晶）４が取り付けられる。ルツボ３は、成長炉１の下方から炉内に前記引上げ軸２と同心状態に起立するように挿入された回転及び昇降自在なペデスタル（下軸）５の上端に固着されたサセプタ６に収納して支持される。引上げ軸２とペデスタル５は、それぞれ、成長炉１の外に設置された回転装置（図示省略）により駆動されて回転し、昇降装置（図示省略）により駆動されて昇降する。
【０００４】
また、成長炉１には、ルツボ３に収容した単結晶の原料７及び液体封止材８を溶融する加熱手段として、温度コントローラ（図示省略）により発熱量が制御されるヒータ９が設けられ、ルツボ３内の原料７及び液体封止材８の温度を検出するための温度検出手段として熱電対１０が設けられる。ヒータ９は、サセプタ６を円周方向に沿って包囲するように炉内に該サセプタ６と同心状態に設置され、熱電対１０はペデスタル５の軸内の上部に設置される。
【０００５】
この製造装置を使用して行う半導体結晶の製造方法を説明する。まず、ルツボ３内に単結晶の原料７として、例えば、III族原料、Ｖ族原料と、液体封止材８として、例えば、Ｂ２Ｏ３を収容し、成長炉１内を所定圧の不活性ガス雰囲気に保持する。原料７としてIII族原料、Ｖ族原料を収容した場合には、不活性ガスの圧力は、原料７からのＶ族原料の解離を防止する圧力に設定する。
【０００６】
次に、温度コントローラにより、ヒータ９を発熱させてルツボ３を加熱する。ルツボ３の温度が液体封止材８の溶融温度に到達すると該液体封止材８が溶融する。このとき、一般に、原料７の融液の比重は液体封止材８の比重よりも大きいことから原料融液の表面は液体封止材融液に覆われ、原料融液からＶ族元素の解離が防止される。
【０００７】
結晶成長の際は、引上げ軸２の先端に固定した種結晶４を原料７の融液に接触させ、この状態で温度コントローラによるフィードバック制御によってヒータ９の温度を徐々に低下させながら種結晶４を徐々に引上げる。このようにすることで、種結晶４に続いて原料７の結晶が成長し、成長結晶１１を液体封止材８を貫いて引上げることができる。
【０００８】
このような単結晶の引上げにおいては、一般に、引上げ軸２及びペデスタル５は、何れも回転装置によって回転駆動して相対的に回転させる。また、成長結晶１１の外径を目標値である所定の一定値とするために、成長結晶１１の単位時間当たりの重量増加量を検出し、この検出結果に基づいて結晶外径を算出して成長結晶１１の外径が目標値となるように、ヒータ９の発熱量を温度コントローラによりフィードバック制御する。
【０００９】
このような方法により単結晶を製造するにあたり、良質な単結晶を得るためには、結晶（固体）と融液の境界である固液界面の融液側への突き出し長さ及び形状が重要であることが知られている。この突き出し長さを制御するために、成長結晶１１内の温度勾配の模索が繰り返し行われており、この成長結晶１１内の温度勾配には、成長結晶引上げ時の結晶頭部の温度が大きく影響することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−５６５８２号公報
【特許文献２】特開２００４−１０４６７号公報
【特許文献３】特開２００４−１０４６９号公報
【特許文献４】特開平９−７７５９０号公報
【特許文献５】特開２００２−２０１９３号公報
【特許文献６】特開平９−１４２９９７号公報
【特許文献７】特開２００９−２３８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
半導体の結晶成長において、良質の単結晶を再現性良く得るためには、半導体結晶内の軸方向の温度勾配を適正にすることが必要である。そのためには、半導体結晶引上げ時の結晶頭部の温度を適正に制御することが有効である。
【００１２】
従来は、半導体結晶内の軸方向の温度勾配を適正化するために圧力容器である成長炉内の炉構造を工夫していたが、半導体結晶の引上げ過程において、結晶頭部の温度を常に適正に制御することは困難であり、安定した単結晶歩留まりを実現することは困難であった。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、安定した半導体結晶を歩留まり良く得ることができる半導体結晶の製造方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、１つには、ルツボ内に収容した原料及び液体封止材を加熱、溶融し、ルツボ内に生成した原料融液に種結晶を接触させつつ該種結晶を引上げて単結晶を得る半導体結晶の製造方法において、
引上げる半導体結晶にガスを吹き付けることにより前記半導体結晶内の軸方向の温度勾配を制御することを特徴とする。
【００１５】
２つには、ルツボ内に収容した原料及び液体封止材を加熱、溶融し、ルツボ内に生成した原料融液に種結晶を接触させつつ該種結晶を引上げて単結晶を得る半導体結晶の製造方法において、
引上げる半導体結晶に不活性ガスを吹き付けることにより前記半導体結晶内の軸方向の温度勾配を８〜１５℃／ｍｍに制御することを特徴とする。
【００１６】
３つには、ルツボ内に収容した原料及び液体封止材を加熱、溶融し、ルツボ内に生成した原料融液に種結晶を接触させつつ該種結晶を引上げて単結晶を得る半導体結晶の製造方法において、
引上げる半導体結晶に窒素又はアルゴン又は二酸化炭素又は一酸化炭素のガスを吹き付けることにより前記半導体結晶内の軸方向の温度勾配を制御することを特徴とする。
【００１７】
そして、前記ガスは、引上げる半導体結晶の頭部に吹き付けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、成長炉内の半導体結晶頭部にガスを吹き付けることにより、結晶内の温度勾配を適正化し、安定した単結晶を歩留まり良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の半導体結晶の製造方法に適用する製造装置であるＬＥＣ法結晶成長炉の断面図である。
【図２】ＬＥＣ法により単結晶を製造するための従来の結晶成長炉の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、ルツボ内に収容した原料及び液体封止材を加熱、溶融し、ルツボ内に生成した原料融液に種結晶を接触させつつ該種結晶を引上げて単結晶を得る半導体結晶の製造方法において、
引上げる半導体結晶の頭部に窒素又はアルゴン又は二酸化炭素又は一酸化炭素のガスを吹き付けて前記半導体結晶内の軸方向の温度勾配を８〜１５℃／ｍｍに制御することにより、安定した単結晶を歩留まり良く得るものである。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の半導体結晶の製造方法に適用する製造装置であるＬＥＣ法結晶成長炉の断面図である。この結晶成長炉は、基本的には従来の炉構成と同一であるが、引上げ中の結晶の頭部にガスを吹き付けるガス吹き付け装置を備える構成に特徴がある。
【００２２】
前述した従来の製造装置における炉構成と同一の構成手段には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。
【００２３】
ガス吹き付け装置１２は、引上げ中の結晶の頭部にガスを吹き付けるように吹き付けノズル１２ａを結晶成長炉を貫通させて炉内に開口させて設置する。
【００２４】
半導体結晶の製造に際しては、まず、直径３００ｍｍのＰＢＮ製ルツボ３に、原料７としてのＧａＡｓ多結晶原料４０ｋｇと、液体封止材８としての三酸化硼素３ｋｇを収容し、原料７を収容したルツボ３は、グラファイト製のペデスタル５上に固着されたグラファイト製のサセプタ６内に収納することにより成長炉１内に設置する。
【００２５】
成長炉１は、原料７及び液体封止材８を収容したルツボ３を設置した後は、炉内雰囲気を真空引きにより排気し、その後、炉内圧力が所定値となるようにガス給排装置（図示省略）によって不活性ガスを充填する。
【００２６】
次に、ヒータ９を発熱させてルツボ３内をＧａＡｓの融点である１２３８℃以上に加熱昇温し、原料７であるＧａＡｓ多結晶原料を融解させる。このときの炉内の圧力は、０．５ＭＰａとする。
【００２７】
次に、引上げ軸２を下降させて該引上げ軸２の先端に取り付けた種結晶４の先端を原料融液に接触させ、温度を十分になじませた後に、温度コントローラによりヒータ９の設定温度を３℃／ｈの割合で低下させながら、種結晶４を８〜１２ｍｍ／ｈの速度で徐々に引上げる。結晶成長時は、引上げ軸２及びペデスタル５により、種結晶４及びルツボ３を回転させる。このときの回転は、種結晶４は時計回りに５ｒｐｍで回転させ、ルツボ３は反時計回りに２０ｒｐｍで回転させる。
【００２８】
成長結晶１１の頭部１１ａを形成する肩部の成長が終了し、直径が１６０ｍｍになったところで、成長結晶１１の外径の自動制御を開始する。この外径制御は、成長した結晶の重量を引上げ軸２に設置したロードセル（図示省略）でリアルタイムに計測し、単位時間当たりの重量増加分と引上げ軸２の移動（上昇）量から結晶の外径を算出し、外径が設定値になるようにヒータ９の温度制御を行う温度コントローラに算出結果をフィードバックすることにより実現する。
【００２９】
結晶成長中は、成長量の増加に伴って融液量が減少して液面位置が低下する。この液面位置低下に対処するために、前記ロードセルの出力に基づいて液面の低下量を算出し、液面が常にヒータ９に対して所定の相対位置に対応するようにルツボ３を上昇させる自動制御を行う。
【００３０】
また、成長中の結晶頭部１１ａには、結晶内の軸方向の温度勾配を制御するために、ガス吹き付け装置１２のガス吹き付けノズル１２ａにより窒素ガス（炉内に充填した不活性ガスと同一成分であることが望ましい。）を吹き付ける。このガス吹き付けは、結晶頭部１１ａの温度を結晶成長炉１内に設置した放射温度計（図示省略）で計測しながら成長中の結晶内の軸方向の温度勾配を８〜１５℃／ｍｍとなるように行う。吹き付ける窒素ガスの温度と流量は、例えば、３０℃、１．０ｍ３／ｍｉｎとし、温度勾配の制御は、吹き付ける窒素ガスの温度または流量を変えることにより行う。因みに、成長結晶１１の温度勾配は、結晶頭部１１ａの温度と原料融液の温度差と成長結晶１１の長さに基づいて算出することができる。また、成長結晶１１の引上げに伴う結晶頭部１１ａとガス吹き付け装置１２の間の相対距離は、吹き付けノズル１２ａを後退させることによって一定距離を維持するように対応する。
【００３１】
このガス吹き付けに伴う炉内圧力の変動は前記ガス給排装置によって調整する。
【００３２】
成長結晶１１が充填した原料７の所定の重量に到達するまで引上げを行った時点でヒータ９の温度を上昇させて成長結晶１１の尾部形状を形成した後に成長結晶１１を原料融液から切り離し、室温まで冷却して単結晶を得た。
【００３３】
この一連の結晶成長工程で１０回の結晶成長を試みた結果、全ての結晶で所定の単結晶を得ることができた（単結晶製造歩留まり１００％）。
［比較例１］
実施例と同様の結晶成長工程において、成長中の結晶頭部１１ａに吹き付けるガスの吹き付け流量や圧力を変えて、成長結晶内の温度勾配が７℃／ｍｍとなるようにして１０回の結晶成長を試みた結果、８本の結晶で所定の単結晶を得ることができた（単結晶製造歩留まり８０％）。
［比較例２］
実施例と同様の結晶成長工程において、成長中の結晶頭部１１ａに吹き付けるガスの吹き付け流量や圧力を変えて、成長結晶内の温度勾配が１６℃／ｍｍとなるようにして１０回の結晶成長を試みた結果、３本は結晶と融液の境界である固液界面の融液側への突き出しが大きすぎ、結晶がルツボの底面に接触して成長続行が不可能となった。その他の７本は、所定の単結晶を得ることができた（単結晶製造歩留まり７０％）。
［比較例３］
図２に示した従来の製造装置を使用し、結晶頭部へのガス吹き付けを省略した以外は実施例と同様な工程でＧａＡｓの結晶成長を１０回行った結果、３本の単結晶を得ることができた（単結晶製造歩留まり３０％）。
【実施例２】
【００３４】
成長中の結晶頭部１１ａに吹き付けるガスは、窒素ガスやアルゴンガスの不活性ガスであることが望ましいが、二酸化炭素ガスや一酸化炭素ガスを使用しても同様の効果を期待することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…成長炉、２…引上げ軸、３…ルツボ、４…種結晶、５…ペデスタル、６…サセプタ、７…原料、８…液体封止材、９…ヒータ、１０…熱電対、１１…成長結晶、１１ａ…結晶頭部、１２…ガス吹き付け装置、１２ａ…吹き付けノズル。
【図１】
2012171840.tif 000003
【図２】
2012171840.tif 000004