半導体結晶成長方法
【課題】高品質な半導体結晶を再現性よく得ることのできる半導体結晶成長方法を提供することにあり、更には、転位密度の均一な半導体結晶を提供する。
【解決手段】ＶＧＦ法による結晶成長炉１は、ルツボ２０内に収容した融液３４を、ルツボ２０の一端に設置された種結晶３０と接触させた状態で、ルツボの側面側及びルツボの開口部側から加熱することにより、少なくとも結晶成長中は、開口部側から加熱する温度を側面側から加熱する温度よりも高く保持して、種結晶３０側のルツボ２０の一端を、ルツボ２０の他端（ルツボ２０の開口部側）よりも低温に保持しつつ、融液３４の温度を降下させて、種結晶３０側からルツボ２０の他端に向けて融液３４を徐々に固化させ、化合物半導体結晶の単結晶を成長させる。
【解決手段】ＶＧＦ法による結晶成長炉１は、ルツボ２０内に収容した融液３４を、ルツボ２０の一端に設置された種結晶３０と接触させた状態で、ルツボの側面側及びルツボの開口部側から加熱することにより、少なくとも結晶成長中は、開口部側から加熱する温度を側面側から加熱する温度よりも高く保持して、種結晶３０側のルツボ２０の一端を、ルツボ２０の他端（ルツボ２０の開口部側）よりも低温に保持しつつ、融液３４の温度を降下させて、種結晶３０側からルツボ２０の他端に向けて融液３４を徐々に固化させ、化合物半導体結晶の単結晶を成長させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶成長方法に関する。特に、本発明は、半導体融液から半導体結晶を成長させる半導体結晶成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶等の結晶成長方法として、半導体融液をルツボ内で下方から上方に向けて徐々に固化させることにより単結晶を成長させる縦型成長法である縦型徐冷（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ：ＶＧＦ）法、及び縦型ブリッジマン（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ：ＶＢ）法が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、原料融液を収容する容器と、容器の周囲に配置した温度勾配炉と、温度勾配炉を容器に対して相対的に移動する手段とを有し、容器の一端から固化成長させる単結晶の製造装置において、容器の壁内にＢ２Ｏ３を含有させたＢＮ製容器を用いた単結晶の製造装置が記載されている。
【０００４】
特許文献１に記載の単結晶製造装置によれば、使用時にＢＮ製容器の壁面から徐々にＢ２Ｏ３が染み出してＢ２Ｏ３膜でルツボの壁面が覆われるので、原料融液とルツボ表面の凹凸壁面とが接触することにより生じる結晶核の発生を防止できる。
【特許文献１】特許第２５８５４１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の従来の化合物半導体結晶の製造装置では、双晶及び多結晶が結晶成長中に生成する場合があった。また、結晶内部に発生する転位の欠陥の密度が結晶内部で結晶成長方向に沿って大きく変化する場合もあった。本発明者は、結晶内部に発生する転移の欠陥の密度が結晶内部で結晶成長方向に沿って変化するのは、成長中の結晶の径方向において温度勾配が生じていることが原因であるとの知見に至った。更に、結晶成長ごとに欠陥の密度がばらつくことがあり、欠陥の少ない単結晶を再現性よく得ることが困難であった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、高品質な半導体結晶を再現性よく得ることのできる半導体結晶成長方法を提供することにあり、更には、転位密度の均一な半導体結晶を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、半導体の種結晶と半導体の原料とを収容したルツボを加熱して、原料を融液とする原料融解工程と、ルツボの側面側及びルツボの開口部側から加熱して、少なくとも結晶成長中は、開口部側から加熱する温度を側面側から加熱する温度よりも高く保持して半導体の単結晶を成長する結晶成長工程とを備える半導体結晶成長方法が提供される。
【０００８】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、側面側及び開口部側から加熱される領域内で前記ルツボを降下させることにより、融液を固化させて単結晶を成長してもよい。また、結晶成長工程は、側面側から加熱する温度及び開口部側から加熱する温度を徐々に降下させることにより、融液を固化させて単結晶を成長してもよい。更に、結晶成長工程は、少なくとも結晶成長の進行中は、融液内の垂直方向（結晶成長方向）の温度分布が変曲点を有さずに、単結晶を成長してもよい。
【０００９】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、少なくとも結晶成長の進行中は、凝固した単結晶内の垂直方向（結晶成長方向）の温度分布が変曲点を有さずに、単結晶を成長してもよい。また、結晶成長工程は、結晶成長界面の移動速度を略一定にして単結晶を成長してもよい。また、半導体が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であってもよく、半導体が、ＧａＡｓであってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体結晶成長方法によれば、高品質な半導体結晶を再現性よく得ることができ、更には、転位密度の均一な半導体結晶を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００１２】
（結晶成長炉１の構造）
第１の実施の形態に係る結晶成長炉１は、成長する化合物半導体結晶の原料を収容する容器としてのルツボ２０と、ルツボ２０を収容するルツボ収容容器としてのサセプタ５０と、サセプタ５０を収容して保持するサセプタ支持部材５５と、ルツボ２０を上部から加熱する上部加熱部としての上部加熱ヒータ１０と、ルツボ２０を側面から加熱する複数の外周加熱部としての外周加熱ヒータ１２とを備える。
【００１３】
更に、結晶成長炉１は、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２が発する熱の結晶成長炉１の外部への伝熱を防止する複数の断熱材６０と、一の外周加熱ヒータ１２（例えば、外周加熱ヒータ１２ｂ）と他の外周加熱ヒータ１２（例えば、外周加熱ヒータ１２ｃ）との間に設けられる断熱材６２と、複数の断熱材６０及び断熱材６２等を外部から覆うチャンバー７０とを備える。
【００１４】
本実施形態に係る結晶成長炉１は、ＶＧＦ法で化合物半導体結晶の単結晶を成長する。すなわち、結晶成長炉１は、ルツボ２０内に収容した融液３４を、ルツボ２０の一端に設置された種結晶３０と接触させた状態で、種結晶３０側のルツボ２０の一端を、ルツボ２０の他端（ルツボ２０の開口部側）よりも低温に保持しつつ、融液３４の温度を降下させて、種結晶３０側からルツボ２０の他端に向けて融液３４を徐々に固化させることにより、化合物半導体結晶の単結晶を成長する。そして、結晶成長炉１で成長する化合物半導体結晶は、一例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓの単結晶である。
【００１５】
ルツボ２０は、化合物半導体結晶の種結晶３０を収容する種結晶配置部としての細径部２５と、所定の角度で細径部２５に連続して設けられる傾斜部２６と、傾斜部２６に連続して設けられ、細径部２５の長手方向と略平行な部分を含む断面円形の直胴部２７とを有する。ルツボ２０の直胴部２７は、上面視において略円形状であり、一例として、直径１６０ｍｍ、長さ３００ｍｍの略円筒形に形成される。また、ルツボ２０は、熱分解窒化ホウ素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ｐＢＮ）から形成される。なお、ルツボ２０は石英から形成することもできる。
【００１６】
すなわち、ルツボ２０は細径部２５を底部に有すると共に、略円筒形状の直胴部２７の端部にルツボ２０の内部を露出するルツボ開口部２２を有する。ルツボ２０は、細径部２５に種結晶３０を収容すると共に、ルツボ開口部２２から導入された化合物半導体結晶の原料とｐ型用又はｎ型用の所定のドーパントとを所定量ずつ収容する。また、ルツボ２０は、Ｂ２Ｏ３等の液体封止材４０を更に収容する。なお、化合物半導体結晶の原料は、成長する化合物半導体の多結晶である。
【００１７】
ルツボ２０内では、所定の温度で融解した化合物半導体の原料の融液３４が細径部２５の種結晶３０と接触して単結晶が生成する。そして、生成した単結晶は、ルツボ２０内において、種結晶３０の側から結晶成長炉１の上方に向かって、成長結晶３２として徐々に成長していく。
【００１８】
サセプタ５０はグラファイトから形成され、ルツボ２０を保持して収容する。また、サセプタ支持部材５５は、結晶成長炉１内で昇降及び回転が自在にできるように設けられる。そして、サセプタ支持部材５５の上にサセプタ５０が搭載されて保持される。この場合に、サセプタ５０の下方のサセプタ下部５２がサセプタ支持部材５５に接触して、サセプタ支持部材５５の上にサセプタ５０が搭載される。これにより、ルツボ２０内の温度分布を緩やか、かつ、一定に保つことを目的として、結晶成長中にルツボ２０を回転させることができる。
【００１９】
複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って配置される。この場合に、複数の外周加熱ヒータ１２は、サセプタ５０の周囲を囲むように結晶成長炉１の内部の所定の高さの位置にそれぞれ配置される。具体的には、外周加熱ヒータ１２ａと、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｂと、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｃと、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｄとが、結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って配置される。
【００２０】
そして、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度は、結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って順次、低下するように設定される。すなわち、外周加熱ヒータ１２ａの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度、となるように複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度が設定される。
【００２１】
上部加熱ヒータ１０は、ルツボ開口部２２の上方に配置される。すなわち、上部加熱ヒータ１０は、種結晶３０が収容される細径部２５よりもルツボ開口部２２の近くに配置される。そして、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ２０内の融液３４を、サセプタ上部５１及びルツボ開口部２２の側から加熱する。すなわち、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ２０の側面を加熱せずに、端面を加熱する。なお、上部加熱ヒータ１０は、発熱面を有しており、当該発熱面が、ルツボ２０の長手方向に略垂直に配置される。換言すると、当該発熱面が、ルツボ２０が収容する融液３４の液面と略水平に配置される。
【００２２】
上部加熱ヒータ１０は、融液３４を加熱する熱を融液３４の上方から供給することにより、ルツボ２０の上方から下方への一方向に熱流が流れるようにする。すなわち、ルツボ２０内の融液３４を通過する熱流が、ルツボ開口部２２側から種結晶３０の側に向かって略直線となるように、上部加熱ヒータ１０は、所定の熱量の熱を融液３４の上方から供給する。
【００２３】
また、上部加熱ヒータ１０の設定温度は、複数の外周加熱ヒータ１２のいずれの設定温度よりも高く設定される。なお、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ開口部２２の上方に配置される限り、その形状及び大きさ、並びに外周加熱ヒータ１２に対する位置は問わない。なお、結晶成長炉１は、サセプタ下部５２の側からルツボ２０を加熱する下部加熱ヒータを更に備えて形成することもできる。下部加熱ヒータは、その加熱面が、ルツボ２０内の融液３４の液面と略平行となるようにチャンバー７０内に配置される。
【００２４】
上部加熱ヒータ１０、下部加熱ヒータ、及び複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、一例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の材料から形成される抵抗加熱ヒータで構成される。なお、上部加熱ヒータ１０、下部加熱ヒータ、及び複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、カーボンヒータ、赤外線加熱ヒータ、ＲＦコイルで加熱した発熱体を２次ヒータとして用いるヒータ等で構成することもできる。
【００２５】
断熱材６０は、複数の外周加熱ヒータ１２及び上部加熱ヒータ１０の外側を包囲して設けられる。断熱材６０を設けることにより、複数の外周加熱ヒータ１２及び上部加熱ヒータ１０が発した熱を、ルツボ２０に効率的に伝熱させることができる。一方、断熱材６２は、一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間で所定の温度差を確保するために、一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間に配置される。
【００２６】
チャンバー７０は、ルツボ２０と、ルツボ２０を収容するサセプタ５０と、サセプタ５０を保持するサセプタ支持部材５５と、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２と、断熱材６０及び断熱材６２とを密閉する。なお、結晶成長炉１は、チャンバー７０内の雰囲気を所定のガス雰囲気（例えば、窒素等の不活性雰囲気）に設定する機能と、チャンバー７０内の圧力を一定値に保つガス圧制御機能とを有する。
【００２７】
なお、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、ＧａＡｓの単結晶だけではなく、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長することもできる。例えば、結晶成長炉１を用いて、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、又はＩｎＳｂ等の化合物半導体の単結晶を成長することができる。また、結晶成長炉１を用いてＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の三元混晶結晶、若しくは、ＡｌＧaＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の四元混晶結晶を成長することもできる。
【００２８】
また、結晶成長炉１を用いて、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶、又は、Ｓｉ、Ｇｅ等のＩＶ族半導体結晶の成長をすることもできる。更に、結晶成長炉１を用いて、化合物半導体結晶又は半導体結晶ではない材料の結晶である、金属結晶、酸化物結晶、フッ化物結晶の結晶を成長することもできる。
【００２９】
また、本実施形態においてルツボ２０内において成長する化合物半導体の融液３４が、大気圧以上の解離圧を有する場合、チャンバー７０を圧力容器とすることもできる。チャンバー７０を圧力容器とすることにより、化合物半導体の融液３４が大気圧以上の解離圧を有する場合であっても、チャンバー７０内を解離圧以上の圧力に設定することにより、融液３４の蒸発等を防止して化合物半導体の単結晶を成長させることができる。
【００３０】
また、ルツボ２０の全体を石英等から形成されたアンプルに封入することもできる。そして、ルツボ２０を封入したアンプルを結晶成長炉１内の所定の位置に設置して、化合物半導体の単結晶を成長することもできる。
【００３１】
また、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、サセプタ支持部材５５を徐々に降下させることによりルツボ２０内の融液３４から単結晶としての成長結晶３２を成長させるが、成長結晶３２の成長方法はこれに限られない。例えば、サセプタ支持部材５５を降下させずに、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度を所定の速度で徐々に低下させて、ルツボ２０内の温度を低下させて成長結晶３２を成長させてもよい。
【００３２】
更に、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、ルツボ２０内に収容されている化合物半導体の融液３４を種結晶３０に接触させた状態で、種結晶３０の側からルツボ２０の上方に向けて徐々に単結晶を成長させる方法であるＶＢ法やＶＧＦ法を用いているが、この方法と類似の半導体結晶の成長方法を結晶成長炉１に適用することができる。
【００３３】
例えば、結晶成長炉１に、半導体の融液を収容する容器が水平に設置され、容器の一端に種結晶が配置された状態で、融液の凝固が水平方向に進行する横型ボート法を適用することができる。また、結晶成長炉１に、半導体の融液を収容する容器が垂直に設置され、容器の上端に種結晶が配置された状態で、融液の凝固が上方から下方に進行するＫｙｒｏｐｕｌｏｓ法を適用することができる。
【００３４】
また、結晶成長炉１に、加熱ヒータを有する炉体をルツボ２０に対して移動させて結晶成長を行う炉体移動法（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ法：ＴＦ法）を適用することもできる。
【００３５】
また、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、上部加熱ヒータ１０があれば複数の外周加熱ヒータ１２は必須ではないが、ルツボ２０内で加熱すべき融液３４が所定量より多い場合や、ルツボ２０内の上下方向における温度勾配が所定の温度勾配より大きくなる場合には、上部加熱ヒータ１０と複数の外周加熱ヒータ１２とを組み合わせて結晶成長炉１を構成することが好ましい。
【００３６】
図２は、比較例に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００３７】
比較例に係る結晶成長炉２は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉１から上部加熱ヒータ１０を取り除いた点を除き、結晶成長炉１と略同一の構成を備えるので、詳細な説明は省略する。
【００３８】
図３は、比較例に係る結晶成長炉内における模式的な温度分布を示す。
【００３９】
比較例に係る結晶成長炉２においては、ルツボ２０を加熱する手段として複数の外周加熱ヒータ１２だけが設置されている。したがって、ルツボ２０は、ルツボ側面２４側からだけ加熱される。そのため、ルツボ２０内部では、外周加熱ヒータ１２に近い側から、Ａ−Ａ線で示す結晶成長炉２の中心線に向かうにつれて温度が低くなる。
【００４０】
例えば、結晶成長炉２の外周加熱ヒータ１２ａに最も近い等温線９０ｃから、等温線９０ｃよりもルツボ２０に近い位置の等温線９０ｂ、等温線９０ｂよりもルツボ２０に近い位置の等温線９０ａに移るにつれて温度が低下する。これにより、ルツボ２０内の化合物半導体の融液３４には、ルツボ２０の径方向において温度勾配が生じる。この温度勾配は、ルツボ２０の外周からルツボ２０の中心に向かって温度が低下する勾配である。
【００４１】
ここで、化合物半導体の単結晶の成長は種結晶３０の上端部から開始する。そして、化合物半導体の融液３４がルツボ２０の下方から上方に向かって徐々に凝固して、種結晶３０と同じ方位を有する単結晶が成長していく。この場合に、結晶成長炉２の上下方向に所定の温度差を設けることを要するので、結晶成長炉２の複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ異なる温度に設定され、結晶成長炉２の上方から下方に向かって多段に設けられる。
【００４２】
比較例に係る結晶成長炉２では、複数の外周加熱ヒータ１２のそれぞれの設定温度は、外周加熱ヒータ１２ａの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度、となるように設定される。そして、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１とは異なり、結晶成長炉２は、上部加熱ヒータ１０を備えていない。したがって、一の外周加熱ヒータ１２と当該一の外周加熱ヒータ１２に隣接して設けられる他の外周加熱ヒータ１２との間には、ルツボ２０が加熱されない領域が生じる。
【００４３】
そのため、一の外周加熱ヒータ１２と当該一の外周加熱ヒータ１２に隣接する他の外周加熱ヒータ１２との間の加熱されない領域、例えば、等温線９０ｇと等温線９０ｈとの間に位置する領域に対応するルツボ２０内の温度は、外周加熱ヒータ１２によって加熱されているルツボ２０の部分に比べて低い温度となる。これにより、ルツボ２０の径方向において生じる温度勾配は結晶成長炉２の上下方向で一定とならない。
【００４４】
したがって、結晶成長炉２では、外周加熱ヒータ１２の位置と、ルツボ２０が配置される位置との関係によって、ルツボ２０内の径方向の温度勾配はルツボ２０の上下方向で複雑に変化する。すなわち、ルツボ２０の上下方向の各位置において、ルツボ２０の中心からルツボ側面２４に向かう方向への温度勾配がそれぞれ大きく異なることとなる。更に、結晶成長炉２ではルツボ側面２４からルツボ２０内に熱が伝熱するので、ルツボ２０内の融液３４から成長結晶３２に流れる熱流は、ルツボ側面２４からルツボ２０の中心に向かって徐々にルツボ２０の底部に進行方向を曲げながら進行する。
【００４５】
このような結晶成長炉２を用いて化合物半導体の結晶成長を実施すると、ルツボ２０の径方向の温度勾配が所定の温度勾配よりも大きいルツボ２０内の部分では、所定の温度勾配よりも小さい部分で成長させた結晶よりも結晶の転位密度が大きい結晶が成長する。また、ルツボ２０内で成長する結晶中での温度分布が結晶の成長位置によって変化するので、成長した結晶内部に発生する転位の密度に成長結晶３２の長手方向に沿ってばらつきが生じる。
【００４６】
したがって、結晶内に発生する転位以外の結晶の特性、例えば、結晶内に存在する転位に応じて決定される結晶の電気的特性の分布及び結晶の光学特性の分布についてもばらつきが生じる。更に、結晶の成長界面近傍の温度勾配が結晶成長の進行に応じて変化するので、結晶成長の速度を一様に保つことが困難であり、結晶成長の進行が不安定となる。その結果、結晶成長炉２で化合物半導体を成長させた場合、双晶又は多結晶が発生する確率が高まることとなる。
【００４７】
なお、図３に示す複数の等温線９０の形状は、説明の簡略化のために模式的な形状で示している。すなわち、複数の外周加熱ヒータ１２、複数の断熱材６０及び断熱材６２、化合物半導体の融液３４、成長した結晶、ルツボ２０、サセプタ５０、雰囲気ガス等のそれぞれを形成する材料に固有の熱伝導率、伝達率、輻射率等の影響を考慮していない模式的な等温線９０として示している。
【００４８】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉内における模式的な温度分布を示す。
【００４９】
第１の実施の形態に係る結晶成長炉１においては、ルツボ２０の上方に上部加熱ヒータ１０を備える。特に、上部加熱ヒータ１０の温度を外周加熱ヒータ１２の温度よりも高く保つことにより、ルツボ側面２４から伝熱する外周加熱ヒータ１２の熱の影響が相対的に低減して、比較例に係る結晶成長炉２の場合に比べてルツボ２０内の径方向の温度勾配を緩やかにすることができる。例えば、図４に示した等温線９０ｉ及び等温線９０ｊのように、ルツボ２０の径方向に沿った方向での温度勾配は、比較例に係る結晶成長炉２の場合に比べると急激に変化する部分をなくすことができる。
【００５０】
すなわち、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１においては、ルツボ２０の上方に上部加熱ヒータ１０を備えることにより、ルツボ２０内の径方向の温度勾配を所定値以下に維持することができる。そして、ルツボ２０内の径方向の温度勾配を所定値以下に維持したまま、結晶成長炉１は、ルツボ２０内において結晶の成長を進行させることができる。これにより、融液３４及び成長結晶３２内の等温面が略平坦に維持される。また、上部加熱ヒータ１０を備えることにより、融液３４及び成長結晶３２内の等温面を、成長結晶３２と融液３４との固液界面形状と略平行となるように制御することができる。すなわち、融液３４及び成長結晶３２内には、結晶成長の進行中において、結晶が成長する方向に沿った方向において、温度分布に変曲点が存在しないこととなる。
【００５１】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１においても、比較例に係る結晶成長炉２と同様に、外周加熱ヒータ１２ａの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度、と設定される。しかし、比較例に係る結晶成長炉２とは異なり、結晶成長炉１は、上部加熱ヒータ１０を備える。
【００５２】
結晶成長炉１では、上部加熱ヒータ１０を備えることによりルツボ２０の上部からルツボ２０内を加熱することができる。これにより、一の外周加熱ヒータ１２と当該一の外周加熱ヒータ１２に隣接して設けられる他の外周加熱ヒータ１２との間のルツボ２０が加熱されない領域は上部加熱ヒータ１０からの熱により加熱されることとなる。よって、ルツボ２０の上下方向のそれぞれの位置において、ルツボ２０の径方向の温度勾配のばらつきを、上部加熱ヒータ１０がない場合に比べて小さくすることができる。
【００５３】
そして、ルツボ２０内においてルツボ２０の上下方向のいずれの位置においても、複数の等温線９０のそれぞれは、略平行となる。例えば、等温線９０ｉと、等温線９０ｉより下側の等温線９０ｊと、等温線９０ｊより下側の等温線９０ｋと、等温線９０ｋより下側の等温線９０ｌとはそれぞれ、互いに略平行となる。なお、成長結晶３２と融液３４との界面の移動速度を略一定として結晶成長は実施される。
【００５４】
このような結晶成長炉１を用いて化合物半導体の結晶成長を実施すると、ルツボ２０の径方向の温度勾配が比較例に係る結晶成長炉２に比べて小さくなるので、成長する結晶内で発生する転位は、結晶成長炉２で成長した結晶に比べて低減する。また、ルツボ２０内で結晶成長中の温度勾配が結晶成長位置によらず安定化するので、成長した結晶内部に発生する転位の密度のばらつきが低減する。
【００５５】
したがって、結晶内に発生する転位以外の結晶の特性、例えば、結晶内に存在する転位に応じて決定される結晶の電気的特性の分布及び結晶の光学特性の分布についてもばらつきが低減する。また、結晶内に存在する転位密度のばらつきの低減により、成長した結晶の機械的特性のばらつきも低減する。更に、結晶の成長界面近傍の温度勾配を、結晶成長の進行中に略一定に保つことができるので、結晶成長の進行が安定化する。その結果、結晶成長炉１で化合物半導体を成長させた場合、双晶又は多結晶の発生を抑制できる。
【００５６】
（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、結晶成長中のルツボ２０内の径方向の温度勾配を緩やかにすることができるので、成長結晶３２内の転位等の欠陥の発生密度を低減することができる。そして、成長結晶３２内の欠陥の発生密度を低減することができるので、結晶成長炉１を用いて成長した半導体結晶においては、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００５７】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、ルツボ２０の上方から下方への熱流を実現できると共に、ルツボ２０の径方向の温度勾配を緩やかにすることができるので、結晶成長中に成長結晶３２が受ける熱履歴を、成長結晶３２の部分によらず略一定にすることができる。これにより、成長結晶３２をスライスして形成される複数の半導体基板間での欠陥密度、電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等のばらつきが低減する。
【００５８】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、結晶成長中の成長界面の近傍の温度勾配を略一定に保持することができるので、融液３４内における急激な温度変化を抑制でき、結晶成長の工程が安定化する。したがって、成長結晶３２中に双晶及び多結晶が発生する確率を低減できる。
【００５９】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、ルツボ２０の上方から下方への熱流を実現できるので、成長する結晶の長手方向について結晶成長に伴う温度環境の変化を小さくでき、結晶成長で生じた成長結晶３２の内部に加わる熱応力が低減する。これにより、長尺の結晶成長を実施する場合であっても、成長結晶３２中に生じる転位等の欠陥の発生が抑制されるので、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００６０】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、結晶成長中のルツボ２０内の径方向の温度勾配を緩やかにすることができるので、ルツボ２０の径が大口径であるほどより顕著に成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００６１】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００６２】
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３は、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１とは、上部加熱ヒータ１１に挟まれて配置される熱伝導部材１５がある点を除き、略同一の構成を備えるので、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【００６３】
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３は、ルツボ２０の外周の上方に上部加熱ヒータ１１を備える。一例として、上面視にて少なくともルツボ開口部２２が覆われる配置となるように、結晶成長炉３は、上部加熱ヒータ１１を備える。そして、結晶成長炉３は、上部加熱ヒータ１１に挟まれた位置であってルツボ開口部２２の上方に、上部加熱ヒータ１１が発した熱を上部加熱ヒータ１１から受け取って外部に放射する熱伝導部材１５を備える。熱伝導部材１５は、一例として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成することができる。
【００６４】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３によれば、ルツボ２０の上方へ上部加熱ヒータ１１を直接に配置することが困難である場合であっても、熱伝導部材１５が上部加熱ヒータ１１からの熱をルツボ開口部２２の側へ放熱するいわゆる２次ヒータとして機能するので、ルツボ２０内の融液３４を上方から間接的に加熱することができる。これにより、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１と同様の効果が得られる。
【００６５】
（変形例）
本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係る結晶成長炉１及び結晶成長炉３は、ルツボ２０内の化合物半導体の原料の融液３４の揮発及び蒸発を防止することを目的として、ルツボ開口部２２を塞ぐ蓋を更に有していてもよい。なお、ルツボ２０内の融液３４に上部加熱ヒータ１０からの熱を効率よく伝熱させることを目的として、熱伝導率が高い材料からルツボ開口部２２を塞ぐ蓋を形成することが好ましい。一例として、当該蓋はＡｌＮから形成することができる。
【００６６】
また、ルツボ開口部２２の上方からルツボ２０内の融液３４を加熱する上部加熱ヒータ１０を備え、上部加熱ヒータの温度が外周加熱ヒータよりも高い温度である限り、本発明に係る結晶成長炉はいずれの位置に他の加熱ヒータを備えていてもよい。一例として、ルツボ２０の下方に加熱ヒータを備え、ルツボ２０の上下方向の温度勾配を制御可能にした結晶成長炉を構成することもできる。
【００６７】
また、ルツボ２０内での化合物半導体の結晶の成長条件を安定化させ、単結晶の成長の再現性を向上させることを目的として、ルツボ２０の細径部２５側に冷却手段を組み合わせた結晶成長炉を構成することもできる。
【００６８】
なお、加熱される物体である被加熱物中の温度勾配は、被加熱物の大きさが小さいほど緩やかになる。したがって、ルツボ２０内で成長する化合物半導体の結晶の大きさが小さいと、結晶成長炉１又は結晶成長炉３が上部加熱ヒータ１０を備えていない場合であっても被加熱物中の温度勾配は緩やかである。一例として、直径が２インチから３インチであり、直胴部分の長さが１００ｍｍから１５０ｍｍ程度のＧａＡｓの結晶を成長させる場合には、成長する結晶中に発生する転位のばらつきが問題となるほどの温度勾配は、ルツボ２０内の径方向においては生じない場合がある。
【００６９】
一方、直径が４インチから６インチであり、直胴部分の長さが２００ｍｍ以上のＧａＡｓ等の結晶を成長させる場合には、結晶成長炉１又は結晶成長炉３が上部加熱ヒータ１０を備えていないと、成長する結晶中に発生する転位のばらつきが問題となる温度勾配がルツボ２０内の径方向において生じ得る。
【００７０】
したがって、第１及び第２の実施形態に係る結晶成長炉１及び結晶成長炉３は、一例として、直径が４インチ以上の大口径であって、直胴部分が２００ｍｍ以上の長尺の結晶の成長が要求されているＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶、特にＧａＡｓ又はＩｎＰの結晶成長に適用することが効果的である。
【実施例】
【００７１】
図６は、本発明の実施例に係る結晶成長の工程の流れを示す。
【００７２】
まず、直胴部２７の直径１６０ｍｍ、直胴部２７の長さ３００ｍｍのｐＢＮ製のルツボ２０の細径部２５に、ＧａＡｓの種結晶を収容した（Ｓ１００）。続いて、予め合成した塊状のＧａＡｓの多結晶をルツボ２０内に２４０００ｇ充填した（Ｓ１０５）。次に、ドーパントとしてのＳｉを７．２ｇと、液体封止材４０としてのＢ２Ｏ３を４００ｇ、ルツボ２０内に添加した（Ｓ１１０）。
【００７３】
次に、このルツボ２０を、グラファイト製のサセプタ５０に収容した（Ｓ１１５）。更に、このサセプタ５０を、結晶成長炉１内で昇降が自在であって、回転が自在であるサセプタ支持部材５５の上に搭載した（Ｓ１２０）。次に、結晶成長炉１を密閉して、結晶成長炉１内を不活性ガスとしての窒素ガスでガス置換した（Ｓ１２５）。これにより、結晶成長炉１内のガス雰囲気は、窒素ガス雰囲気となった。
【００７４】
続いて、ルツボ２０の回転を開始した（Ｓ１３０）。ここで、ルツボ２０の回転速度は１ｒｐｍに設定した。なお、ルツボ２０の回転は、サセプタ支持部材５５を回転させて行い、結晶成長が終了するまでルツボ２０の回転を継続した。そして、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２のそれぞれに通電して、ルツボ２０の加熱を開始した（Ｓ１３５）。ルツボ２０の加熱の開始後、所定時間ルツボ２０を加熱し続けることにより、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を完全に融解して融液３４とした（Ｓ１４０）。
【００７５】
なお、ルツボ２０を加熱する工程で、チャンバー７０内の雰囲気ガスの体積は膨張する。そこで、チャンバー７０内の圧力が０．５ＭＰａを超えないように、チャンバー７０内の圧力を制御した。すなわち、本実施例においては、チャンバー７０内の圧力が結晶成長中も常に０．５ＭＰａに保持されるように、自動的かつ連続的にチャンバー７０内のガス圧を制御した。
【００７６】
ここで、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を融解させる過程において、ルツボ２０内に添加されたＢ２Ｏ３は、ＧａＡｓ多結晶が融解するより早く軟化した。そして、軟化したＢ２Ｏ３は、透明な水飴状になって融液３４の表面を覆った。これにより、ＧａＡｓの分解によるＡｓの揮発を抑制できた。
【００７７】
続いて、上部加熱ヒータ１０の設定温度を１２９５℃に設定した（Ｓ１４５）。また、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度を、結晶成長炉１の上から下に行くにつれて低下する温度に設定した（Ｓ１４５）。具体的には、複数の外周加熱ヒータ１２のうち上部加熱ヒータ１０に最も近い位置に配置されている外周加熱ヒータ１２ａの設定温度を１２６０℃に設定した。そして、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度を１２４０℃に設定した。
【００７８】
更に、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度を１１００℃、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度を１０５０℃に設定した（Ｓ１４５）。そして、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定した後、融液３４の温度が安定するまで４時間保持した（Ｓ１５０）。
【００７９】
なお、Ｓ１５０の工程において、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の位置に対するルツボ２０の位置は、予め結晶成長炉１内に熱電対を挿入して計測した温度分布に基づいて決定した。具体的には、ルツボ２０を保持している間に種結晶３０が融解して消失することを防止すべく、ＧａＡｓの融点である１２３８℃の等温線が、種結晶３０の上端部分にかかるようにルツボ２０を配置した。
【００８０】
結晶成長炉１内の温度が安定した後、サセプタ支持部材５５を１ｒｐｍの回転速度で回転させながら４ｍｍ／ｈの速度で降下させて、ルツボ２０を結晶成長炉１の下方に降下させた（Ｓ１５５）。そして、約２．５日かけてルツボ２０を約２４０ｍｍ降下させたところでルツボ２０の降下を停止して、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度が９５０℃になるように２４時間かけて徐冷した（Ｓ１６０）。
【００８１】
その後、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度が４００℃になるまで、−２０℃／ｈの速度で上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を低下させた。続いて、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の通電を停止して、ルツボ２０を室温まで冷却した（Ｓ１６５）。ルツボ２０を室温まで冷却した後、ルツボ２０内の成長結晶３２が全長にわたってＧａＡｓの単結晶であることが確認された。
【００８２】
なお、上記Ｓ１００からＳ１６５の工程で、連続して２０回の結晶成長を実施した。その結果、いずれの結晶成長においても、全長がＧａＡｓの単結晶である結晶を得ることができた。
【００８３】
結晶成長炉１を用いて図６に示した工程で得られた２０本のＧａＡｓ単結晶の内の１本を選択した。そして、選択した１本のＧａＡｓ単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略円形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位に対応して発生するピットの密度測定、すなわち転位密度測定を実施した。
【００８４】
図７は、本発明の実施例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す。
【００８５】
本発明の実施例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶では、その全長にわたってリネージ等の欠陥の発生は認められなかった。そして、切り出したウェハ面内の平均転位密度はＧａＡｓ単結晶の直胴部の全体にわたって０．５×１０４ｃｍ−２以下であった。具体的には、ＧａＡｓ単結晶の直胴部の長さは２５０ｍｍであり、ＧａＡｓ単結晶の少なくとも５ｍｍから２５０ｍｍまでの範囲内において、平均転位密度が０．３×１０４ｃｍ−２から０．５×１０４ｃｍ−２の範囲であった。平均転位密度の最小値と最大値との差は、０．２×１０４ｃｍ−２未満に収まった。
【００８６】
また、他の１９本のＧａＡｓ単結晶についても、ＧａＡｓ単結晶の種結晶側、直胴部の中央部、及び直胴部の尾部からウェハを切り出して、溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。そして、上記と同様の転位密度測定を実施した。その結果、１９本全てのＧａＡｓ単結晶のいずれの部分においても、平均転位密度は０．５×１０４ｃｍ−２以下であった。すなわち、１９本のＧａＡｓ単結晶のいずれについても平均転位密度が所定値以下である結晶が、再現性よく得られることが示された。
【００８７】
（比較例の成長Ａ）
まず、比較例に係る結晶成長炉２を用いて、上部加熱ヒータ１０に関する設定を除いた上で、図６と同様の工程でＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。すなわち、上部加熱ヒータ１０を備えていない結晶成長炉２において、上部加熱ヒータ１０への通電（Ｓ１３５）、設定温度の設定（Ｓ１４５）、徐冷（Ｓ１６０）等の条件を除き、他の条件を同一にして、ＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。なお、結晶成長炉２によるＧａＡｓ単結晶の成長は２回実施した。
【００８８】
１回目の成長によって得られたＧａＡｓの結晶は、ルツボ２０の傾斜部２６から直胴部２７に移行する部分において多結晶が発生しており、ＧａＡｓの単結晶は得られなかった。また、２回目の成長では、得られたＧａＡｓの結晶の直胴部分に多結晶が発生しており、ＧａＡｓの単結晶が全長にわたっては得られなかった。
【００８９】
（比較例の成長Ｂ）
次に、比較例に係る結晶成長炉２を用いて、上部加熱ヒータ１０に関する設定を除くと共に、図６のＳ１５５におけるルツボ２０の降下速度を２．５ｍｍ／ｈｒに設定して、結晶成長速度を遅くして結晶成長を実施した。なお、その他の条件は図６と同様である。但し、図６で説明した実施例においては、約２．５日かけてルツボ２０を降下させていたところ、本比較例においては４日間を要した。この成長において得られたＧａＡｓの結晶は、全長にわたって単結晶であった。
【００９０】
次に、得られたＧａＡｓの単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略円形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位密度測定を実施した。
【００９１】
図８は、比較例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す。
【００９２】
比較例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶では、結晶内で平均転位密度が最も低い部位でも、ウェハ面内平均で０．６×１０４ｃｍ−２程度であり、多い部位では１０×１０３ｃｍ−２を超える転位密度であった。平均転位密度の最小値と最大値との差は、少なくとも０．４×１０４ｃｍ−２以上あった。更に、ウェハ面内で転位密度が高い領域には、リネージ欠陥の発生が多く観察された。
【００９３】
図８を参照すると、比較例の成長Ｂで得られた結晶においては、本発明の実施例に係る結晶よりも全体的に大きい平均転位密度を示した。更に、成長した結晶の長手方向にわたって、転位密度の分布の変化が大きかった。これは、結晶の加熱がルツボ側面２４の外周加熱ヒータ１２だけに依存しているので、ルツボ２０と外周加熱ヒータ１２との位置関係の変化に応じて、成長結晶３２に加わる熱応力の変化が大きかったためと推測された。
【００９４】
なお、比較例の成長Ｂにおいては、１０回の成長を実施した。その結果、７本の結晶は結晶の全長にわたって単結晶となったが、２本の結晶については結晶の直胴部分の途中から多結晶が発生していた。また、残りの１本の結晶については、ルツボ２０の傾斜部２６から直胴部２７に移行する部分において双晶の発生が見られた。これも、結晶に加わる熱応力の変化が大きかったためと推測された。
【００９５】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】第１の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図２】比較例に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図３】比較例に係る結晶成長炉内における温度分布の模式図である。
【図４】第１の実施の形態に係る結晶成長炉内における温度分布の模式的図である。
【図５】第２の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図６】実施例に係る結晶成長のフローチャートである。
【図７】実施例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布図である。
【図８】比較例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布図である。
【符号の説明】
【００９７】
１、２、３ 結晶成長炉
１０、１１ 上部加熱ヒータ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 外周加熱ヒータ
１５ 熱伝導部材
２０ ルツボ
２０ａ、２０ｂ ルツボ端
２２ ルツボ開口部
２４ ルツボ側面
２５ 細径部
２６ 傾斜部
２７ 直胴部
３０ 種結晶
３０ａ 種結晶端
３２ 成長結晶
３４ 融液
４０ 液体封止材
５０ サセプタ
５１ サセプタ上部
５２ サセプタ下部
５５ サセプタ支持部材
６０、６２ 断熱材
７０ チャンバー
９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ、９０ｅ、９０ｆ、９０ｇ、９０ｈ 等温線
９０ｉ、９０ｊ、９０ｋ、９０ｌ 等温線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶成長方法に関する。特に、本発明は、半導体融液から半導体結晶を成長させる半導体結晶成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶等の結晶成長方法として、半導体融液をルツボ内で下方から上方に向けて徐々に固化させることにより単結晶を成長させる縦型成長法である縦型徐冷（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ：ＶＧＦ）法、及び縦型ブリッジマン（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｍａｎ：ＶＢ）法が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、原料融液を収容する容器と、容器の周囲に配置した温度勾配炉と、温度勾配炉を容器に対して相対的に移動する手段とを有し、容器の一端から固化成長させる単結晶の製造装置において、容器の壁内にＢ２Ｏ３を含有させたＢＮ製容器を用いた単結晶の製造装置が記載されている。
【０００４】
特許文献１に記載の単結晶製造装置によれば、使用時にＢＮ製容器の壁面から徐々にＢ２Ｏ３が染み出してＢ２Ｏ３膜でルツボの壁面が覆われるので、原料融液とルツボ表面の凹凸壁面とが接触することにより生じる結晶核の発生を防止できる。
【特許文献１】特許第２５８５４１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の従来の化合物半導体結晶の製造装置では、双晶及び多結晶が結晶成長中に生成する場合があった。また、結晶内部に発生する転位の欠陥の密度が結晶内部で結晶成長方向に沿って大きく変化する場合もあった。本発明者は、結晶内部に発生する転移の欠陥の密度が結晶内部で結晶成長方向に沿って変化するのは、成長中の結晶の径方向において温度勾配が生じていることが原因であるとの知見に至った。更に、結晶成長ごとに欠陥の密度がばらつくことがあり、欠陥の少ない単結晶を再現性よく得ることが困難であった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、高品質な半導体結晶を再現性よく得ることのできる半導体結晶成長方法を提供することにあり、更には、転位密度の均一な半導体結晶を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、半導体の種結晶と半導体の原料とを収容したルツボを加熱して、原料を融液とする原料融解工程と、ルツボの側面側及びルツボの開口部側から加熱して、少なくとも結晶成長中は、開口部側から加熱する温度を側面側から加熱する温度よりも高く保持して半導体の単結晶を成長する結晶成長工程とを備える半導体結晶成長方法が提供される。
【０００８】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、側面側及び開口部側から加熱される領域内で前記ルツボを降下させることにより、融液を固化させて単結晶を成長してもよい。また、結晶成長工程は、側面側から加熱する温度及び開口部側から加熱する温度を徐々に降下させることにより、融液を固化させて単結晶を成長してもよい。更に、結晶成長工程は、少なくとも結晶成長の進行中は、融液内の垂直方向（結晶成長方向）の温度分布が変曲点を有さずに、単結晶を成長してもよい。
【０００９】
また、上記半導体結晶成長方法において、結晶成長工程は、少なくとも結晶成長の進行中は、凝固した単結晶内の垂直方向（結晶成長方向）の温度分布が変曲点を有さずに、単結晶を成長してもよい。また、結晶成長工程は、結晶成長界面の移動速度を略一定にして単結晶を成長してもよい。また、半導体が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であってもよく、半導体が、ＧａＡｓであってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体結晶成長方法によれば、高品質な半導体結晶を再現性よく得ることができ、更には、転位密度の均一な半導体結晶を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００１２】
（結晶成長炉１の構造）
第１の実施の形態に係る結晶成長炉１は、成長する化合物半導体結晶の原料を収容する容器としてのルツボ２０と、ルツボ２０を収容するルツボ収容容器としてのサセプタ５０と、サセプタ５０を収容して保持するサセプタ支持部材５５と、ルツボ２０を上部から加熱する上部加熱部としての上部加熱ヒータ１０と、ルツボ２０を側面から加熱する複数の外周加熱部としての外周加熱ヒータ１２とを備える。
【００１３】
更に、結晶成長炉１は、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２が発する熱の結晶成長炉１の外部への伝熱を防止する複数の断熱材６０と、一の外周加熱ヒータ１２（例えば、外周加熱ヒータ１２ｂ）と他の外周加熱ヒータ１２（例えば、外周加熱ヒータ１２ｃ）との間に設けられる断熱材６２と、複数の断熱材６０及び断熱材６２等を外部から覆うチャンバー７０とを備える。
【００１４】
本実施形態に係る結晶成長炉１は、ＶＧＦ法で化合物半導体結晶の単結晶を成長する。すなわち、結晶成長炉１は、ルツボ２０内に収容した融液３４を、ルツボ２０の一端に設置された種結晶３０と接触させた状態で、種結晶３０側のルツボ２０の一端を、ルツボ２０の他端（ルツボ２０の開口部側）よりも低温に保持しつつ、融液３４の温度を降下させて、種結晶３０側からルツボ２０の他端に向けて融液３４を徐々に固化させることにより、化合物半導体結晶の単結晶を成長する。そして、結晶成長炉１で成長する化合物半導体結晶は、一例として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓの単結晶である。
【００１５】
ルツボ２０は、化合物半導体結晶の種結晶３０を収容する種結晶配置部としての細径部２５と、所定の角度で細径部２５に連続して設けられる傾斜部２６と、傾斜部２６に連続して設けられ、細径部２５の長手方向と略平行な部分を含む断面円形の直胴部２７とを有する。ルツボ２０の直胴部２７は、上面視において略円形状であり、一例として、直径１６０ｍｍ、長さ３００ｍｍの略円筒形に形成される。また、ルツボ２０は、熱分解窒化ホウ素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ｐＢＮ）から形成される。なお、ルツボ２０は石英から形成することもできる。
【００１６】
すなわち、ルツボ２０は細径部２５を底部に有すると共に、略円筒形状の直胴部２７の端部にルツボ２０の内部を露出するルツボ開口部２２を有する。ルツボ２０は、細径部２５に種結晶３０を収容すると共に、ルツボ開口部２２から導入された化合物半導体結晶の原料とｐ型用又はｎ型用の所定のドーパントとを所定量ずつ収容する。また、ルツボ２０は、Ｂ２Ｏ３等の液体封止材４０を更に収容する。なお、化合物半導体結晶の原料は、成長する化合物半導体の多結晶である。
【００１７】
ルツボ２０内では、所定の温度で融解した化合物半導体の原料の融液３４が細径部２５の種結晶３０と接触して単結晶が生成する。そして、生成した単結晶は、ルツボ２０内において、種結晶３０の側から結晶成長炉１の上方に向かって、成長結晶３２として徐々に成長していく。
【００１８】
サセプタ５０はグラファイトから形成され、ルツボ２０を保持して収容する。また、サセプタ支持部材５５は、結晶成長炉１内で昇降及び回転が自在にできるように設けられる。そして、サセプタ支持部材５５の上にサセプタ５０が搭載されて保持される。この場合に、サセプタ５０の下方のサセプタ下部５２がサセプタ支持部材５５に接触して、サセプタ支持部材５５の上にサセプタ５０が搭載される。これにより、ルツボ２０内の温度分布を緩やか、かつ、一定に保つことを目的として、結晶成長中にルツボ２０を回転させることができる。
【００１９】
複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って配置される。この場合に、複数の外周加熱ヒータ１２は、サセプタ５０の周囲を囲むように結晶成長炉１の内部の所定の高さの位置にそれぞれ配置される。具体的には、外周加熱ヒータ１２ａと、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｂと、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｃと、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置される外周加熱ヒータ１２ｄとが、結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って配置される。
【００２０】
そして、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度は、結晶成長炉１の上部から下部へ向かう方向に沿って順次、低下するように設定される。すなわち、外周加熱ヒータ１２ａの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度、となるように複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度が設定される。
【００２１】
上部加熱ヒータ１０は、ルツボ開口部２２の上方に配置される。すなわち、上部加熱ヒータ１０は、種結晶３０が収容される細径部２５よりもルツボ開口部２２の近くに配置される。そして、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ２０内の融液３４を、サセプタ上部５１及びルツボ開口部２２の側から加熱する。すなわち、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ２０の側面を加熱せずに、端面を加熱する。なお、上部加熱ヒータ１０は、発熱面を有しており、当該発熱面が、ルツボ２０の長手方向に略垂直に配置される。換言すると、当該発熱面が、ルツボ２０が収容する融液３４の液面と略水平に配置される。
【００２２】
上部加熱ヒータ１０は、融液３４を加熱する熱を融液３４の上方から供給することにより、ルツボ２０の上方から下方への一方向に熱流が流れるようにする。すなわち、ルツボ２０内の融液３４を通過する熱流が、ルツボ開口部２２側から種結晶３０の側に向かって略直線となるように、上部加熱ヒータ１０は、所定の熱量の熱を融液３４の上方から供給する。
【００２３】
また、上部加熱ヒータ１０の設定温度は、複数の外周加熱ヒータ１２のいずれの設定温度よりも高く設定される。なお、上部加熱ヒータ１０は、ルツボ開口部２２の上方に配置される限り、その形状及び大きさ、並びに外周加熱ヒータ１２に対する位置は問わない。なお、結晶成長炉１は、サセプタ下部５２の側からルツボ２０を加熱する下部加熱ヒータを更に備えて形成することもできる。下部加熱ヒータは、その加熱面が、ルツボ２０内の融液３４の液面と略平行となるようにチャンバー７０内に配置される。
【００２４】
上部加熱ヒータ１０、下部加熱ヒータ、及び複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、一例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の材料から形成される抵抗加熱ヒータで構成される。なお、上部加熱ヒータ１０、下部加熱ヒータ、及び複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ、カーボンヒータ、赤外線加熱ヒータ、ＲＦコイルで加熱した発熱体を２次ヒータとして用いるヒータ等で構成することもできる。
【００２５】
断熱材６０は、複数の外周加熱ヒータ１２及び上部加熱ヒータ１０の外側を包囲して設けられる。断熱材６０を設けることにより、複数の外周加熱ヒータ１２及び上部加熱ヒータ１０が発した熱を、ルツボ２０に効率的に伝熱させることができる。一方、断熱材６２は、一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間で所定の温度差を確保するために、一の外周加熱ヒータ１２と他の外周加熱ヒータ１２との間に配置される。
【００２６】
チャンバー７０は、ルツボ２０と、ルツボ２０を収容するサセプタ５０と、サセプタ５０を保持するサセプタ支持部材５５と、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２と、断熱材６０及び断熱材６２とを密閉する。なお、結晶成長炉１は、チャンバー７０内の雰囲気を所定のガス雰囲気（例えば、窒素等の不活性雰囲気）に設定する機能と、チャンバー７０内の圧力を一定値に保つガス圧制御機能とを有する。
【００２７】
なお、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、ＧａＡｓの単結晶だけではなく、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長することもできる。例えば、結晶成長炉１を用いて、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、又はＩｎＳｂ等の化合物半導体の単結晶を成長することができる。また、結晶成長炉１を用いてＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の三元混晶結晶、若しくは、ＡｌＧaＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の四元混晶結晶を成長することもできる。
【００２８】
また、結晶成長炉１を用いて、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶、又は、Ｓｉ、Ｇｅ等のＩＶ族半導体結晶の成長をすることもできる。更に、結晶成長炉１を用いて、化合物半導体結晶又は半導体結晶ではない材料の結晶である、金属結晶、酸化物結晶、フッ化物結晶の結晶を成長することもできる。
【００２９】
また、本実施形態においてルツボ２０内において成長する化合物半導体の融液３４が、大気圧以上の解離圧を有する場合、チャンバー７０を圧力容器とすることもできる。チャンバー７０を圧力容器とすることにより、化合物半導体の融液３４が大気圧以上の解離圧を有する場合であっても、チャンバー７０内を解離圧以上の圧力に設定することにより、融液３４の蒸発等を防止して化合物半導体の単結晶を成長させることができる。
【００３０】
また、ルツボ２０の全体を石英等から形成されたアンプルに封入することもできる。そして、ルツボ２０を封入したアンプルを結晶成長炉１内の所定の位置に設置して、化合物半導体の単結晶を成長することもできる。
【００３１】
また、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、サセプタ支持部材５５を徐々に降下させることによりルツボ２０内の融液３４から単結晶としての成長結晶３２を成長させるが、成長結晶３２の成長方法はこれに限られない。例えば、サセプタ支持部材５５を降下させずに、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度を所定の速度で徐々に低下させて、ルツボ２０内の温度を低下させて成長結晶３２を成長させてもよい。
【００３２】
更に、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、ルツボ２０内に収容されている化合物半導体の融液３４を種結晶３０に接触させた状態で、種結晶３０の側からルツボ２０の上方に向けて徐々に単結晶を成長させる方法であるＶＢ法やＶＧＦ法を用いているが、この方法と類似の半導体結晶の成長方法を結晶成長炉１に適用することができる。
【００３３】
例えば、結晶成長炉１に、半導体の融液を収容する容器が水平に設置され、容器の一端に種結晶が配置された状態で、融液の凝固が水平方向に進行する横型ボート法を適用することができる。また、結晶成長炉１に、半導体の融液を収容する容器が垂直に設置され、容器の上端に種結晶が配置された状態で、融液の凝固が上方から下方に進行するＫｙｒｏｐｕｌｏｓ法を適用することができる。
【００３４】
また、結晶成長炉１に、加熱ヒータを有する炉体をルツボ２０に対して移動させて結晶成長を行う炉体移動法（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ法：ＴＦ法）を適用することもできる。
【００３５】
また、本実施形態に係る結晶成長炉１においては、上部加熱ヒータ１０があれば複数の外周加熱ヒータ１２は必須ではないが、ルツボ２０内で加熱すべき融液３４が所定量より多い場合や、ルツボ２０内の上下方向における温度勾配が所定の温度勾配より大きくなる場合には、上部加熱ヒータ１０と複数の外周加熱ヒータ１２とを組み合わせて結晶成長炉１を構成することが好ましい。
【００３６】
図２は、比較例に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００３７】
比較例に係る結晶成長炉２は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉１から上部加熱ヒータ１０を取り除いた点を除き、結晶成長炉１と略同一の構成を備えるので、詳細な説明は省略する。
【００３８】
図３は、比較例に係る結晶成長炉内における模式的な温度分布を示す。
【００３９】
比較例に係る結晶成長炉２においては、ルツボ２０を加熱する手段として複数の外周加熱ヒータ１２だけが設置されている。したがって、ルツボ２０は、ルツボ側面２４側からだけ加熱される。そのため、ルツボ２０内部では、外周加熱ヒータ１２に近い側から、Ａ−Ａ線で示す結晶成長炉２の中心線に向かうにつれて温度が低くなる。
【００４０】
例えば、結晶成長炉２の外周加熱ヒータ１２ａに最も近い等温線９０ｃから、等温線９０ｃよりもルツボ２０に近い位置の等温線９０ｂ、等温線９０ｂよりもルツボ２０に近い位置の等温線９０ａに移るにつれて温度が低下する。これにより、ルツボ２０内の化合物半導体の融液３４には、ルツボ２０の径方向において温度勾配が生じる。この温度勾配は、ルツボ２０の外周からルツボ２０の中心に向かって温度が低下する勾配である。
【００４１】
ここで、化合物半導体の単結晶の成長は種結晶３０の上端部から開始する。そして、化合物半導体の融液３４がルツボ２０の下方から上方に向かって徐々に凝固して、種結晶３０と同じ方位を有する単結晶が成長していく。この場合に、結晶成長炉２の上下方向に所定の温度差を設けることを要するので、結晶成長炉２の複数の外周加熱ヒータ１２はそれぞれ異なる温度に設定され、結晶成長炉２の上方から下方に向かって多段に設けられる。
【００４２】
比較例に係る結晶成長炉２では、複数の外周加熱ヒータ１２のそれぞれの設定温度は、外周加熱ヒータ１２ａの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度、となるように設定される。そして、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１とは異なり、結晶成長炉２は、上部加熱ヒータ１０を備えていない。したがって、一の外周加熱ヒータ１２と当該一の外周加熱ヒータ１２に隣接して設けられる他の外周加熱ヒータ１２との間には、ルツボ２０が加熱されない領域が生じる。
【００４３】
そのため、一の外周加熱ヒータ１２と当該一の外周加熱ヒータ１２に隣接する他の外周加熱ヒータ１２との間の加熱されない領域、例えば、等温線９０ｇと等温線９０ｈとの間に位置する領域に対応するルツボ２０内の温度は、外周加熱ヒータ１２によって加熱されているルツボ２０の部分に比べて低い温度となる。これにより、ルツボ２０の径方向において生じる温度勾配は結晶成長炉２の上下方向で一定とならない。
【００４４】
したがって、結晶成長炉２では、外周加熱ヒータ１２の位置と、ルツボ２０が配置される位置との関係によって、ルツボ２０内の径方向の温度勾配はルツボ２０の上下方向で複雑に変化する。すなわち、ルツボ２０の上下方向の各位置において、ルツボ２０の中心からルツボ側面２４に向かう方向への温度勾配がそれぞれ大きく異なることとなる。更に、結晶成長炉２ではルツボ側面２４からルツボ２０内に熱が伝熱するので、ルツボ２０内の融液３４から成長結晶３２に流れる熱流は、ルツボ側面２４からルツボ２０の中心に向かって徐々にルツボ２０の底部に進行方向を曲げながら進行する。
【００４５】
このような結晶成長炉２を用いて化合物半導体の結晶成長を実施すると、ルツボ２０の径方向の温度勾配が所定の温度勾配よりも大きいルツボ２０内の部分では、所定の温度勾配よりも小さい部分で成長させた結晶よりも結晶の転位密度が大きい結晶が成長する。また、ルツボ２０内で成長する結晶中での温度分布が結晶の成長位置によって変化するので、成長した結晶内部に発生する転位の密度に成長結晶３２の長手方向に沿ってばらつきが生じる。
【００４６】
したがって、結晶内に発生する転位以外の結晶の特性、例えば、結晶内に存在する転位に応じて決定される結晶の電気的特性の分布及び結晶の光学特性の分布についてもばらつきが生じる。更に、結晶の成長界面近傍の温度勾配が結晶成長の進行に応じて変化するので、結晶成長の速度を一様に保つことが困難であり、結晶成長の進行が不安定となる。その結果、結晶成長炉２で化合物半導体を成長させた場合、双晶又は多結晶が発生する確率が高まることとなる。
【００４７】
なお、図３に示す複数の等温線９０の形状は、説明の簡略化のために模式的な形状で示している。すなわち、複数の外周加熱ヒータ１２、複数の断熱材６０及び断熱材６２、化合物半導体の融液３４、成長した結晶、ルツボ２０、サセプタ５０、雰囲気ガス等のそれぞれを形成する材料に固有の熱伝導率、伝達率、輻射率等の影響を考慮していない模式的な等温線９０として示している。
【００４８】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉内における模式的な温度分布を示す。
【００４９】
第１の実施の形態に係る結晶成長炉１においては、ルツボ２０の上方に上部加熱ヒータ１０を備える。特に、上部加熱ヒータ１０の温度を外周加熱ヒータ１２の温度よりも高く保つことにより、ルツボ側面２４から伝熱する外周加熱ヒータ１２の熱の影響が相対的に低減して、比較例に係る結晶成長炉２の場合に比べてルツボ２０内の径方向の温度勾配を緩やかにすることができる。例えば、図４に示した等温線９０ｉ及び等温線９０ｊのように、ルツボ２０の径方向に沿った方向での温度勾配は、比較例に係る結晶成長炉２の場合に比べると急激に変化する部分をなくすことができる。
【００５０】
すなわち、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１においては、ルツボ２０の上方に上部加熱ヒータ１０を備えることにより、ルツボ２０内の径方向の温度勾配を所定値以下に維持することができる。そして、ルツボ２０内の径方向の温度勾配を所定値以下に維持したまま、結晶成長炉１は、ルツボ２０内において結晶の成長を進行させることができる。これにより、融液３４及び成長結晶３２内の等温面が略平坦に維持される。また、上部加熱ヒータ１０を備えることにより、融液３４及び成長結晶３２内の等温面を、成長結晶３２と融液３４との固液界面形状と略平行となるように制御することができる。すなわち、融液３４及び成長結晶３２内には、結晶成長の進行中において、結晶が成長する方向に沿った方向において、温度分布に変曲点が存在しないこととなる。
【００５１】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１においても、比較例に係る結晶成長炉２と同様に、外周加熱ヒータ１２ａの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度＞外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度、と設定される。しかし、比較例に係る結晶成長炉２とは異なり、結晶成長炉１は、上部加熱ヒータ１０を備える。
【００５２】
結晶成長炉１では、上部加熱ヒータ１０を備えることによりルツボ２０の上部からルツボ２０内を加熱することができる。これにより、一の外周加熱ヒータ１２と当該一の外周加熱ヒータ１２に隣接して設けられる他の外周加熱ヒータ１２との間のルツボ２０が加熱されない領域は上部加熱ヒータ１０からの熱により加熱されることとなる。よって、ルツボ２０の上下方向のそれぞれの位置において、ルツボ２０の径方向の温度勾配のばらつきを、上部加熱ヒータ１０がない場合に比べて小さくすることができる。
【００５３】
そして、ルツボ２０内においてルツボ２０の上下方向のいずれの位置においても、複数の等温線９０のそれぞれは、略平行となる。例えば、等温線９０ｉと、等温線９０ｉより下側の等温線９０ｊと、等温線９０ｊより下側の等温線９０ｋと、等温線９０ｋより下側の等温線９０ｌとはそれぞれ、互いに略平行となる。なお、成長結晶３２と融液３４との界面の移動速度を略一定として結晶成長は実施される。
【００５４】
このような結晶成長炉１を用いて化合物半導体の結晶成長を実施すると、ルツボ２０の径方向の温度勾配が比較例に係る結晶成長炉２に比べて小さくなるので、成長する結晶内で発生する転位は、結晶成長炉２で成長した結晶に比べて低減する。また、ルツボ２０内で結晶成長中の温度勾配が結晶成長位置によらず安定化するので、成長した結晶内部に発生する転位の密度のばらつきが低減する。
【００５５】
したがって、結晶内に発生する転位以外の結晶の特性、例えば、結晶内に存在する転位に応じて決定される結晶の電気的特性の分布及び結晶の光学特性の分布についてもばらつきが低減する。また、結晶内に存在する転位密度のばらつきの低減により、成長した結晶の機械的特性のばらつきも低減する。更に、結晶の成長界面近傍の温度勾配を、結晶成長の進行中に略一定に保つことができるので、結晶成長の進行が安定化する。その結果、結晶成長炉１で化合物半導体を成長させた場合、双晶又は多結晶の発生を抑制できる。
【００５６】
（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、結晶成長中のルツボ２０内の径方向の温度勾配を緩やかにすることができるので、成長結晶３２内の転位等の欠陥の発生密度を低減することができる。そして、成長結晶３２内の欠陥の発生密度を低減することができるので、結晶成長炉１を用いて成長した半導体結晶においては、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００５７】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、ルツボ２０の上方から下方への熱流を実現できると共に、ルツボ２０の径方向の温度勾配を緩やかにすることができるので、結晶成長中に成長結晶３２が受ける熱履歴を、成長結晶３２の部分によらず略一定にすることができる。これにより、成長結晶３２をスライスして形成される複数の半導体基板間での欠陥密度、電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等のばらつきが低減する。
【００５８】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、結晶成長中の成長界面の近傍の温度勾配を略一定に保持することができるので、融液３４内における急激な温度変化を抑制でき、結晶成長の工程が安定化する。したがって、成長結晶３２中に双晶及び多結晶が発生する確率を低減できる。
【００５９】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、ルツボ２０の上方から下方への熱流を実現できるので、成長する結晶の長手方向について結晶成長に伴う温度環境の変化を小さくでき、結晶成長で生じた成長結晶３２の内部に加わる熱応力が低減する。これにより、長尺の結晶成長を実施する場合であっても、成長結晶３２中に生じる転位等の欠陥の発生が抑制されるので、成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００６０】
また、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１によれば、結晶成長中のルツボ２０内の径方向の温度勾配を緩やかにすることができるので、ルツボ２０の径が大口径であるほどより顕著に成長した半導体結晶から形成される半導体基板内での電気的特性、光学的特性、及び機械的特性等について面内での均一性が向上する。
【００６１】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要を示す。
【００６２】
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３は、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１とは、上部加熱ヒータ１１に挟まれて配置される熱伝導部材１５がある点を除き、略同一の構成を備えるので、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【００６３】
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３は、ルツボ２０の外周の上方に上部加熱ヒータ１１を備える。一例として、上面視にて少なくともルツボ開口部２２が覆われる配置となるように、結晶成長炉３は、上部加熱ヒータ１１を備える。そして、結晶成長炉３は、上部加熱ヒータ１１に挟まれた位置であってルツボ開口部２２の上方に、上部加熱ヒータ１１が発した熱を上部加熱ヒータ１１から受け取って外部に放射する熱伝導部材１５を備える。熱伝導部材１５は、一例として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成することができる。
【００６４】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態に係る結晶成長炉３によれば、ルツボ２０の上方へ上部加熱ヒータ１１を直接に配置することが困難である場合であっても、熱伝導部材１５が上部加熱ヒータ１１からの熱をルツボ開口部２２の側へ放熱するいわゆる２次ヒータとして機能するので、ルツボ２０内の融液３４を上方から間接的に加熱することができる。これにより、第１の実施の形態に係る結晶成長炉１と同様の効果が得られる。
【００６５】
（変形例）
本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係る結晶成長炉１及び結晶成長炉３は、ルツボ２０内の化合物半導体の原料の融液３４の揮発及び蒸発を防止することを目的として、ルツボ開口部２２を塞ぐ蓋を更に有していてもよい。なお、ルツボ２０内の融液３４に上部加熱ヒータ１０からの熱を効率よく伝熱させることを目的として、熱伝導率が高い材料からルツボ開口部２２を塞ぐ蓋を形成することが好ましい。一例として、当該蓋はＡｌＮから形成することができる。
【００６６】
また、ルツボ開口部２２の上方からルツボ２０内の融液３４を加熱する上部加熱ヒータ１０を備え、上部加熱ヒータの温度が外周加熱ヒータよりも高い温度である限り、本発明に係る結晶成長炉はいずれの位置に他の加熱ヒータを備えていてもよい。一例として、ルツボ２０の下方に加熱ヒータを備え、ルツボ２０の上下方向の温度勾配を制御可能にした結晶成長炉を構成することもできる。
【００６７】
また、ルツボ２０内での化合物半導体の結晶の成長条件を安定化させ、単結晶の成長の再現性を向上させることを目的として、ルツボ２０の細径部２５側に冷却手段を組み合わせた結晶成長炉を構成することもできる。
【００６８】
なお、加熱される物体である被加熱物中の温度勾配は、被加熱物の大きさが小さいほど緩やかになる。したがって、ルツボ２０内で成長する化合物半導体の結晶の大きさが小さいと、結晶成長炉１又は結晶成長炉３が上部加熱ヒータ１０を備えていない場合であっても被加熱物中の温度勾配は緩やかである。一例として、直径が２インチから３インチであり、直胴部分の長さが１００ｍｍから１５０ｍｍ程度のＧａＡｓの結晶を成長させる場合には、成長する結晶中に発生する転位のばらつきが問題となるほどの温度勾配は、ルツボ２０内の径方向においては生じない場合がある。
【００６９】
一方、直径が４インチから６インチであり、直胴部分の長さが２００ｍｍ以上のＧａＡｓ等の結晶を成長させる場合には、結晶成長炉１又は結晶成長炉３が上部加熱ヒータ１０を備えていないと、成長する結晶中に発生する転位のばらつきが問題となる温度勾配がルツボ２０内の径方向において生じ得る。
【００７０】
したがって、第１及び第２の実施形態に係る結晶成長炉１及び結晶成長炉３は、一例として、直径が４インチ以上の大口径であって、直胴部分が２００ｍｍ以上の長尺の結晶の成長が要求されているＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶、特にＧａＡｓ又はＩｎＰの結晶成長に適用することが効果的である。
【実施例】
【００７１】
図６は、本発明の実施例に係る結晶成長の工程の流れを示す。
【００７２】
まず、直胴部２７の直径１６０ｍｍ、直胴部２７の長さ３００ｍｍのｐＢＮ製のルツボ２０の細径部２５に、ＧａＡｓの種結晶を収容した（Ｓ１００）。続いて、予め合成した塊状のＧａＡｓの多結晶をルツボ２０内に２４０００ｇ充填した（Ｓ１０５）。次に、ドーパントとしてのＳｉを７．２ｇと、液体封止材４０としてのＢ２Ｏ３を４００ｇ、ルツボ２０内に添加した（Ｓ１１０）。
【００７３】
次に、このルツボ２０を、グラファイト製のサセプタ５０に収容した（Ｓ１１５）。更に、このサセプタ５０を、結晶成長炉１内で昇降が自在であって、回転が自在であるサセプタ支持部材５５の上に搭載した（Ｓ１２０）。次に、結晶成長炉１を密閉して、結晶成長炉１内を不活性ガスとしての窒素ガスでガス置換した（Ｓ１２５）。これにより、結晶成長炉１内のガス雰囲気は、窒素ガス雰囲気となった。
【００７４】
続いて、ルツボ２０の回転を開始した（Ｓ１３０）。ここで、ルツボ２０の回転速度は１ｒｐｍに設定した。なお、ルツボ２０の回転は、サセプタ支持部材５５を回転させて行い、結晶成長が終了するまでルツボ２０の回転を継続した。そして、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２のそれぞれに通電して、ルツボ２０の加熱を開始した（Ｓ１３５）。ルツボ２０の加熱の開始後、所定時間ルツボ２０を加熱し続けることにより、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を完全に融解して融液３４とした（Ｓ１４０）。
【００７５】
なお、ルツボ２０を加熱する工程で、チャンバー７０内の雰囲気ガスの体積は膨張する。そこで、チャンバー７０内の圧力が０．５ＭＰａを超えないように、チャンバー７０内の圧力を制御した。すなわち、本実施例においては、チャンバー７０内の圧力が結晶成長中も常に０．５ＭＰａに保持されるように、自動的かつ連続的にチャンバー７０内のガス圧を制御した。
【００７６】
ここで、ルツボ２０内のＧａＡｓ多結晶を融解させる過程において、ルツボ２０内に添加されたＢ２Ｏ３は、ＧａＡｓ多結晶が融解するより早く軟化した。そして、軟化したＢ２Ｏ３は、透明な水飴状になって融液３４の表面を覆った。これにより、ＧａＡｓの分解によるＡｓの揮発を抑制できた。
【００７７】
続いて、上部加熱ヒータ１０の設定温度を１２９５℃に設定した（Ｓ１４５）。また、複数の外周加熱ヒータ１２の設定温度を、結晶成長炉１の上から下に行くにつれて低下する温度に設定した（Ｓ１４５）。具体的には、複数の外周加熱ヒータ１２のうち上部加熱ヒータ１０に最も近い位置に配置されている外周加熱ヒータ１２ａの設定温度を１２６０℃に設定した。そして、外周加熱ヒータ１２ａの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｂの設定温度を１２４０℃に設定した。
【００７８】
更に、外周加熱ヒータ１２ｂの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｃの設定温度を１１００℃、外周加熱ヒータ１２ｃの下に配置されている外周加熱ヒータ１２ｄの設定温度を１０５０℃に設定した（Ｓ１４５）。そして、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を設定した後、融液３４の温度が安定するまで４時間保持した（Ｓ１５０）。
【００７９】
なお、Ｓ１５０の工程において、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の位置に対するルツボ２０の位置は、予め結晶成長炉１内に熱電対を挿入して計測した温度分布に基づいて決定した。具体的には、ルツボ２０を保持している間に種結晶３０が融解して消失することを防止すべく、ＧａＡｓの融点である１２３８℃の等温線が、種結晶３０の上端部分にかかるようにルツボ２０を配置した。
【００８０】
結晶成長炉１内の温度が安定した後、サセプタ支持部材５５を１ｒｐｍの回転速度で回転させながら４ｍｍ／ｈの速度で降下させて、ルツボ２０を結晶成長炉１の下方に降下させた（Ｓ１５５）。そして、約２．５日かけてルツボ２０を約２４０ｍｍ降下させたところでルツボ２０の降下を停止して、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度が９５０℃になるように２４時間かけて徐冷した（Ｓ１６０）。
【００８１】
その後、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度が４００℃になるまで、−２０℃／ｈの速度で上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の温度を低下させた。続いて、上部加熱ヒータ１０及び複数の外周加熱ヒータ１２の通電を停止して、ルツボ２０を室温まで冷却した（Ｓ１６５）。ルツボ２０を室温まで冷却した後、ルツボ２０内の成長結晶３２が全長にわたってＧａＡｓの単結晶であることが確認された。
【００８２】
なお、上記Ｓ１００からＳ１６５の工程で、連続して２０回の結晶成長を実施した。その結果、いずれの結晶成長においても、全長がＧａＡｓの単結晶である結晶を得ることができた。
【００８３】
結晶成長炉１を用いて図６に示した工程で得られた２０本のＧａＡｓ単結晶の内の１本を選択した。そして、選択した１本のＧａＡｓ単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略円形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位に対応して発生するピットの密度測定、すなわち転位密度測定を実施した。
【００８４】
図７は、本発明の実施例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す。
【００８５】
本発明の実施例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶では、その全長にわたってリネージ等の欠陥の発生は認められなかった。そして、切り出したウェハ面内の平均転位密度はＧａＡｓ単結晶の直胴部の全体にわたって０．５×１０４ｃｍ−２以下であった。具体的には、ＧａＡｓ単結晶の直胴部の長さは２５０ｍｍであり、ＧａＡｓ単結晶の少なくとも５ｍｍから２５０ｍｍまでの範囲内において、平均転位密度が０．３×１０４ｃｍ−２から０．５×１０４ｃｍ−２の範囲であった。平均転位密度の最小値と最大値との差は、０．２×１０４ｃｍ−２未満に収まった。
【００８６】
また、他の１９本のＧａＡｓ単結晶についても、ＧａＡｓ単結晶の種結晶側、直胴部の中央部、及び直胴部の尾部からウェハを切り出して、溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。そして、上記と同様の転位密度測定を実施した。その結果、１９本全てのＧａＡｓ単結晶のいずれの部分においても、平均転位密度は０．５×１０４ｃｍ−２以下であった。すなわち、１９本のＧａＡｓ単結晶のいずれについても平均転位密度が所定値以下である結晶が、再現性よく得られることが示された。
【００８７】
（比較例の成長Ａ）
まず、比較例に係る結晶成長炉２を用いて、上部加熱ヒータ１０に関する設定を除いた上で、図６と同様の工程でＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。すなわち、上部加熱ヒータ１０を備えていない結晶成長炉２において、上部加熱ヒータ１０への通電（Ｓ１３５）、設定温度の設定（Ｓ１４５）、徐冷（Ｓ１６０）等の条件を除き、他の条件を同一にして、ＧａＡｓ単結晶の成長を実施した。なお、結晶成長炉２によるＧａＡｓ単結晶の成長は２回実施した。
【００８８】
１回目の成長によって得られたＧａＡｓの結晶は、ルツボ２０の傾斜部２６から直胴部２７に移行する部分において多結晶が発生しており、ＧａＡｓの単結晶は得られなかった。また、２回目の成長では、得られたＧａＡｓの結晶の直胴部分に多結晶が発生しており、ＧａＡｓの単結晶が全長にわたっては得られなかった。
【００８９】
（比較例の成長Ｂ）
次に、比較例に係る結晶成長炉２を用いて、上部加熱ヒータ１０に関する設定を除くと共に、図６のＳ１５５におけるルツボ２０の降下速度を２．５ｍｍ／ｈｒに設定して、結晶成長速度を遅くして結晶成長を実施した。なお、その他の条件は図６と同様である。但し、図６で説明した実施例においては、約２．５日かけてルツボ２０を降下させていたところ、本比較例においては４日間を要した。この成長において得られたＧａＡｓの結晶は、全長にわたって単結晶であった。
【００９０】
次に、得られたＧａＡｓの単結晶の直胴部分に該当する部分をスライスして、（１００）面を有する略円形状の複数のウェハを切り出した。次に、切り出したウェハ表面に溶融ＫＯＨによるエッチング処理を施した。続いて、転位密度測定を実施した。
【００９１】
図８は、比較例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布を示す。
【００９２】
比較例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶では、結晶内で平均転位密度が最も低い部位でも、ウェハ面内平均で０．６×１０４ｃｍ−２程度であり、多い部位では１０×１０３ｃｍ−２を超える転位密度であった。平均転位密度の最小値と最大値との差は、少なくとも０．４×１０４ｃｍ−２以上あった。更に、ウェハ面内で転位密度が高い領域には、リネージ欠陥の発生が多く観察された。
【００９３】
図８を参照すると、比較例の成長Ｂで得られた結晶においては、本発明の実施例に係る結晶よりも全体的に大きい平均転位密度を示した。更に、成長した結晶の長手方向にわたって、転位密度の分布の変化が大きかった。これは、結晶の加熱がルツボ側面２４の外周加熱ヒータ１２だけに依存しているので、ルツボ２０と外周加熱ヒータ１２との位置関係の変化に応じて、成長結晶３２に加わる熱応力の変化が大きかったためと推測された。
【００９４】
なお、比較例の成長Ｂにおいては、１０回の成長を実施した。その結果、７本の結晶は結晶の全長にわたって単結晶となったが、２本の結晶については結晶の直胴部分の途中から多結晶が発生していた。また、残りの１本の結晶については、ルツボ２０の傾斜部２６から直胴部２７に移行する部分において双晶の発生が見られた。これも、結晶に加わる熱応力の変化が大きかったためと推測された。
【００９５】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】第１の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図２】比較例に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図３】比較例に係る結晶成長炉内における温度分布の模式図である。
【図４】第１の実施の形態に係る結晶成長炉内における温度分布の模式的図である。
【図５】第２の実施の形態に係る結晶成長炉の断面の概要図である。
【図６】実施例に係る結晶成長のフローチャートである。
【図７】実施例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布図である。
【図８】比較例に係る結晶成長炉で成長したＧａＡｓ単結晶のウェハ面内の平均転位密度の結晶長手方向の分布図である。
【符号の説明】
【００９７】
１、２、３ 結晶成長炉
１０、１１ 上部加熱ヒータ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 外周加熱ヒータ
１５ 熱伝導部材
２０ ルツボ
２０ａ、２０ｂ ルツボ端
２２ ルツボ開口部
２４ ルツボ側面
２５ 細径部
２６ 傾斜部
２７ 直胴部
３０ 種結晶
３０ａ 種結晶端
３２ 成長結晶
３４ 融液
４０ 液体封止材
５０ サセプタ
５１ サセプタ上部
５２ サセプタ下部
５５ サセプタ支持部材
６０、６２ 断熱材
７０ チャンバー
９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ、９０ｅ、９０ｆ、９０ｇ、９０ｈ 等温線
９０ｉ、９０ｊ、９０ｋ、９０ｌ 等温線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の種結晶と前記半導体の原料とを収容したルツボを加熱して、前記原料を融液とする原料融解工程と、
前記ルツボの側面側及び前記ルツボの開口部側から加熱して、少なくとも結晶成長中は、前記開口部側から加熱する温度を前記側面側から加熱する温度よりも高く保持して前記半導体の単結晶を成長する結晶成長工程と
を備える半導体結晶成長方法。
【請求項２】
前記結晶成長工程は、前記側面側及び前記開口部側から加熱される領域内で前記ルツボを降下させることにより、前記融液を固化させて前記単結晶を成長する請求項１に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項３】
前記結晶成長工程は、前記側面側から加熱する温度及び前記開口部側から加熱する温度を徐々に降下させることにより、前記融液を固化させて前記単結晶を成長する請求項１に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項４】
前記結晶成長工程は、少なくとも結晶成長の進行中は、前記融液内の垂直方向（結晶成長方向）の温度分布が変曲点を有さずに、前記単結晶を成長する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項５】
前記結晶成長工程は、少なくとも結晶成長の進行中は、凝固した前記単結晶内の垂直方向（結晶成長方向）の温度分布が変曲点を有さずに、前記単結晶を成長する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項６】
前記結晶成長工程は、結晶成長界面の移動速度を略一定にして前記単結晶を成長する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項７】
前記半導体が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項８】
前記半導体が、ＧａＡｓである請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項１】
半導体の種結晶と前記半導体の原料とを収容したルツボを加熱して、前記原料を融液とする原料融解工程と、
前記ルツボの側面側及び前記ルツボの開口部側から加熱して、少なくとも結晶成長中は、前記開口部側から加熱する温度を前記側面側から加熱する温度よりも高く保持して前記半導体の単結晶を成長する結晶成長工程と
を備える半導体結晶成長方法。
【請求項２】
前記結晶成長工程は、前記側面側及び前記開口部側から加熱される領域内で前記ルツボを降下させることにより、前記融液を固化させて前記単結晶を成長する請求項１に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項３】
前記結晶成長工程は、前記側面側から加熱する温度及び前記開口部側から加熱する温度を徐々に降下させることにより、前記融液を固化させて前記単結晶を成長する請求項１に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項４】
前記結晶成長工程は、少なくとも結晶成長の進行中は、前記融液内の垂直方向（結晶成長方向）の温度分布が変曲点を有さずに、前記単結晶を成長する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項５】
前記結晶成長工程は、少なくとも結晶成長の進行中は、凝固した前記単結晶内の垂直方向（結晶成長方向）の温度分布が変曲点を有さずに、前記単結晶を成長する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項６】
前記結晶成長工程は、結晶成長界面の移動速度を略一定にして前記単結晶を成長する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項７】
前記半導体が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【請求項８】
前記半導体が、ＧａＡｓである請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体結晶成長方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１４９４５２（Ｐ２００９−１４９４５２Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２６０７７（Ｐ２００７−３２６０７７）
【出願日】平成１９年１２月１８日（２００７．１２．１８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１８日（２００７．１２．１８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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