(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方が高温になるような温度勾配を上下に有した加熱装置と、前記加熱装置の中に配置され、半導体の原料と種結晶とを前者を上部に後者を下部に位置させて収容する結晶成長容器と、前記半導体原料の融液とそれから成長する半導体結晶によって形成される固液界面の位置が前記加熱装置の上下方向において所定の位置となるようにして前記結晶成長容器を下降させる下降手段から構成され、前記加熱装置は、全体の温度勾配を１〜１０ｄｅｇ／ｃｍとし、前記固液界面の位置よりも下方に位置して前記種結晶を冷却する冷却手段を有し、前記冷却手段は、前記下降手段の下降方向に沿って前記加熱装置に設けられたスリットにより構成することを特徴とする半導体結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体結晶の製造方法および製造装置に関し、特に、低転位の半導体結晶の製造方法とこれに使用される製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体の結晶を成長させる方法として、垂直ブリッジマン法と呼ばれる成長法が知られている。
図４（イ）は、この方法を示したもので、１はチャンバ１６の中に断熱材１５を介して配置された複数のヒータ２から構成される円筒型の加熱装置を示し、上方が高温に、下方が低温になるように温度が設定されている。
（ロ）は、この温度勾配の例を示したもので、上下方向における温度分布に熱歪みが生じないように、１〜１０ｄｅｇ／ｃｍ程度の小さな勾配のもとに設定されている。
【０００３】
３は加熱装置１の軸心に位置し、所定の微速度で下降する下降装置、４は下降装置３の先端の容器受け５に装着された結晶成長容器を示し、下端の収容部７の中には種結晶６を収容している。８は種結晶６の上方に収容された半導体原料の融液を示し、加熱装置１からの熱によって溶融されている。
【０００４】
以上の構成において、たとえば、ＧａＡｓの半導体結晶を成長させる場合であれば、まず、ＧａＡｓ原料を１２４５℃に加熱して融液８とし、一方、種結晶６側を１２００℃に加熱する。融液８と種結晶６の間を種づけした後、下降装置３を微速度で下降させ、融液８から半導体の結晶１０を徐々に成長させてゆく。
【０００５】
以上のようにして結晶１０を成長させる垂直ブリッジマン法は、液体封止引上法（ＬＥＣ法）などに比べ、大きな径の半導体結晶が製造可能であり、また、得られる結晶の低転位性によって特徴づけられる。
【０００６】
この方法において、結晶欠陥の原因となる転位を抑制するためには、結晶固化後に生ずる熱的歪みを防ぐことが必要であり、さらに、固液界面１１での結晶１０側に凹みが発生するのを防ぐ必要がある。
【０００７】
従来、熱的歪みを防ぐ方法として、加熱装置１の上下方向における温度差をできるだけ小さく設定し、これにより結晶固化部と成長部の冷却速度を遅くすることで熱的歪みを防止する方法が知られている。
図１（ｂ）に示される１〜１０ｄｅｇ／ｃｍの小さな温度勾配は、この方法を具現化したものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の温度勾配による対処法によると、低速の冷却が種結晶からの放熱を阻害するように作用し、逆に、このことを原因とした固液界面での凹み発生を招くようになる。
【０００９】
温度差を小さくした温度勾配と大きくした温度勾配は、相克の関係にあり、前者を採る場合には、固液界面における凹みが発生しやすくなるために、機械的歪みによる転位発生の度合が強くなり、一方、後者の場合には、固液界面の平坦化が可能となるが、熱的歪みによる転位発生の度合が増えるようになる。従って、単なる温度勾配の操作によって、これら２種類の転位に対処することは微妙であり、難しい。
【００１０】
従って、本発明の目的は、固液界面での凹み発生を原因とした機械的歪みによる転位と熱的歪みによる転位の発生を同時に抑制することのできる半導体結晶の製造方法とこれに使用される製造装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、半導体の原料と種結晶とを前者を上部に後者を下部に位置させて収容した結晶成長容器を、上方が高温になるような温度勾配を上下に有した加熱装置の中に配置し、前記原料を前記加熱装置により溶融して前記種結晶に前記原料を種づけした後、前記結晶成長容器を下降させることによって前記種結晶の上に前記原料の融液から半導体の結晶を成長させる半導体結晶の製造方法において、前記融液と前記結晶間の固液界面の下方に前記種結晶を冷却する冷却ゾーンを形成し、前記固液界面が前記冷却ゾーンよりも上方に位置するようにして前記結晶の成長に応じて前記結晶成長容器を下降させることを特徴とする半導体結晶の製造方法を提供するものである。
【００１２】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、上方が高温になるような温度勾配を上下に有した加熱装置と、前記加熱装置の中に配置され、半導体の原料と種結晶とを前者を上部に後者を下部に位置させて収容する結晶成長容器と、前記原料の融液とそれから成長する半導体の結晶によって形成される固液界面の位置が前記加熱筒体の上下方向において所定の位置となるようにして前記結晶成長容器を下降させる下降手段から構成され、前記加熱装置は、固液界面の位置よりも下方に位置して前記種結晶を冷却する冷却手段を有することを特徴とする半導体結晶の製造装置を提供するものである。
【００１３】
上記の冷却ゾーンと冷却手段は、種結晶からの熱放出を促進させるために設けられる。従って、種結晶からの放出熱は、停滞せずに外部へ逃散することが望ましく、この意味からすれば、スリット状（窓状）のものが好適である。
【００１４】
スリットは、下降手段の下降方向に沿って形成され、その数は１つでも複数でもよい。加熱装置が円筒状に構成される場合、その円周方向における種結晶からの熱放出を均等化し、同時に、結晶成長領域への偏った熱的影響を避ける意味から、スリットは、加熱装置の円周方向に均等間隔で複数個配置することが好ましい。
【００１５】
スリットを形成する代わりに、非発熱部を以て冷却手段とすることは可能であり、あるいは冷却手段を形成すべき位置に、水、オイル、ガス等の冷却用流体の配管を取り付け、これによって冷却手段とすることも可能である。
【００１６】
スリット、あるいは非加熱部と冷却用流体配管を組み合わせることによって冷却手段を構成することは考えられる。冷却用流体配管を使用するときには、流体の流量調整による温度調節が可能となる。
【００１７】
加熱装置の周囲に断熱層を形成する場合には、スリット等の位置する部分を断熱対象から外し、種結晶からの熱放出を阻害しないように構成すべきである。
冷却用流体配管は、このような配慮を必要としない点でスリット等とは異なる。
【００１８】
本発明が結晶成長の対象とする半導体としては、たとえば、ＧａＡｓ、ＧａＰ、あるいはＩｎＰ等の化合物半導体が挙げられる。また、垂直ブリッジマン法には、ＧａＡｓの結晶を成長させる場合に、成長容器の中でＡｓ圧を制御しながら成長させる様式と、酸化硼素で融液面を覆うことによりＡｓの揮散を防止し、全体を不活性ガス下に置いて成長させる様式があるが、本発明による製造方法と製造装置は、いずれの様式にも適用可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による半導体結晶の製造方法および製造装置の実施の形態について説明する。
図１（イ）において、１は、上方が下方よりも高温となるように所定の温度勾配を設定された円筒状の加熱装置、２はこの加熱装置１を構成する複数のヒータ、３は加熱装置１の軸心に位置して、所定の微速度のもとに下降する下降装置を示す。
【００２０】
４は下降装置３の先端の容器受け５に装着された石英の結晶成長容器、６は結晶成長容器４の先細り部の先端に形成された種結晶の収容部、７は収容部６に入れられた種結晶、８は容器９に入れられて結晶成長容器４の中に収容され、加熱筒体１からの熱によって溶融された半導体原料の融液を示す。
【００２１】
１０は種結晶６と融液８の種づけの後、種結晶６の上に成長させられた半導体の結晶を示し、融液８との間には固液界面１１が形成されている。
下降装置３は、結晶１０の成長に合わせ、固液界面１１が上下方向において常に一定の位置となるように微速度のもとに下降する。
【００２２】
ここにいう一定の位置とは、必ずしも厳密な意味ではなく、多少の位置変動があっても差し支えない。また、この実施形態においては、容器９を使用することによって結晶成長容器４との間で複層構造としているが、容器９を省略してもよい。
【００２３】
１２は結晶成長容器４の内部を密閉する石英のキャップ、１３は固液界面１１よりも下方の位置において、加熱装置１にその軸方向に沿って設けられたスリットを示し、模擬図（ロ）のように４個配置され、（ハ）のように円周方向に等間隔に設けられている。Ｂはスリット１３によって形成された種結晶６を冷却するための冷却ゾーンを示す。
【００２４】
本実施形態の場合には４個のスリットとしているが、（ハ）のスリット１３の位置のａの部分と、スリットの位置しないｂの部分の間の温度差を嫌う場合には、スリット幅を狭くしたり、スリット数を増やしたり、あるいはこれらを組み合わせることによって、円周方向における温度分布を均一化することは可能である。
【００２５】
図２は、以上の構成における加熱装置１の内部の上下方向の温度勾配の実測値を示したもので、（イ）は全体の温度勾配、（ロ）は下方部分の温度勾配を示す。
また、（ロ）の破線は、冷却ゾーンＢを形成した本実施形態の温度勾配を示し、一方、実線は、冷却ゾーンＢを形成しない従来タイプの温度勾配を示す。
【００２６】
（ロ）に示されるように、本実施形態の場合が２〜７ｄｅｇ／ｃｍの温度勾配を示しているのに比べ、従来の装置は１〜５ｄｅｇ／ｃｍと小さく、両者の間には明確な差が認められた。
【００２７】
冷却ゾーンＢを有する本実施形態のほうが、加熱装置１の下部における上下の温度差が急峻であり、従って、種結晶６からの熱放散が活発になることから、固液界面１１での凹み発生による機械的歪みを原因とした転位は抑制されることになる。
【００２８】
そして、全体の温度勾配を温度差の小さな１〜１０ｄｅｇ／ｃｍのレベルに設定していることから、熱的歪みに基づく転位も抑制され、その結果、機械的歪みによる転位と熱的歪みによる転位とがともに抑制された、品質の高い半導体結晶を成長させることができる。
【００２９】
図３は、本発明の他の実施の形態を示したもので、融液８の表面が酸化硼素１４で覆われており、また、加熱装置１の周囲には、断熱層１５を介してチャンバー１６が気密に形成され、空間１７には、不活性ガスが封入されている。スリット１３の部分には、断熱層１５がない。
【００３０】
【実施例１】
図１において、結晶成長容器４の収容部７に種結晶６を入れ、次いで、これに、４５００ｇのＧａＡｓの原料を収容した容器９を入れた後、結晶成長容器４の内部を真空引きし、キャップ１２を装着することによって容器４内を真空状態にした。
【００３１】
次に、この結晶成長容器４を下降装置３の容器受け５に装着し、下降装置３を昇降させて、種結晶６がスリット１３に囲まれるように位置設定をした後、ヒータ２に通電して、種結晶６の部分を１２００℃、ＧａＡｓの原料の部分を１２４５℃に加熱し、ＧａＡｓ原料を溶融させて融液８を建液した。
【００３２】
次に、生成する結晶１０と融液８により形成される固液界面１１の付近の温度勾配が４℃／ｃｍとなるように温度調整をして、種結晶６と融液８の間を種づけした後、下降装置３を３ｍｍ／ｈｒの微速度で下降させ、結晶１０の成長を進めた。
【００３３】
結晶全体が固化した後、加熱装置１の温度を毎時３０℃の割合で降温させて室温まで冷却し、その後、結晶成長容器４を加熱装置１から取り出した。
以上によって得られたＧａＡｓの単結晶は、固液界面１１の部分が好ましい凸状を呈し、約８０ｍｍの直径と１５０ｍｍの直胴部長さを有していた。
転位密度を測定したところ、全長にわたって５００個／ｃｍ2 の良好な結果が得られた。
【００３４】
【実施例２】
図３において、半導体原料としてＧａＡｓの原料を使用し、温度条件を実施例１と同じに設定して単結晶の成長を進めたところ、実施例１と近似の寸法を有し、固液界面が凸状を呈したＧａＡｓの単結晶が得られ、さらに、この単結晶からは実施例１と同レベルの転位密度が確認された。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明による半導体結晶の製造方法と製造装置によれば、固液界面よりも下方に位置する部分に種結晶を冷却するための冷却ゾーンを形成し、これによって種結晶からの放熱を活発化させるものであることから、種結晶からの放熱不足を原因とした固液界面における凹みの発生と、これを原因とした機械的歪みによる転位の発生を効果的に抑制することができる。
【００３６】
従って、加熱装置内に、熱的歪みによる転位防止のための温度差の小さな温度勾配を設定すれば、機械的歪みと熱的歪みによる転位は、同時に抑制されることになり、良質の半導体結晶を成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体結晶の製造方法と製造装置の実施の形態を示す説明図であり、（イ）は製造装置の断面図、（ロ）は加熱装置の模擬図、（ハ）は（イ）のＡ−Ａ断面図を示す。
【図２】図１の製造装置の温度勾配を示し、（イ）は装置全体の温度勾配、（ロ）は図１（イ）の冷却ゾーンＢの温度勾配と従来タイプの加熱装置の下方部の温度勾配を示す。
【図３】本発明による半導体結晶の製造方法と製造装置の他の実施の形態を示す説明図。
【図４】従来の半導体結晶の製造方法を示す説明図であり、（イ）は製造装置の断面図、（ロ）は装置全体の温度勾配を示す。
【符号の説明】
１      加熱装置
２      ヒータ
３      下降装置
４      結晶成長容器
６      種結晶
８      融液（半導体原料）
１０      結晶
１１      固液界面
１３      スリット
１４      酸化硼素
Ｂ      冷却ゾーン
【図１】
0003788077.tif 000002
【図２】
0003788077.tif 000003
【図３】
0003788077.tif 000004
【図４】
0003788077.tif 000005