JPH09315881A

JPH09315881A - 半導体結晶の製造方法

Info

Publication number: JPH09315881A
Application number: JP13610196A
Authority: JP
Inventors: Jun Kono; 純河野; Tomohiro Kawase; 智博川瀬
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶欠陥の発生を少なくした半導体結晶を得
る方法を提供する。【解決手段】原料を収容するルツボ４と、ルツボを支
えるステージ６と、ステージを支える下軸７と、縦型の
温度勾配炉を有する縦型ブリッジマン法において、ステ
ージを支える下軸外面に冷却媒体が通る冷却パイプ８が
巻かれている。冷却媒体が、空気あるいは水である。そ
の他、ステージを支える下軸の外面が熱輻射率の低い材
質であるパイロリティックボロンナイトライド(pBN)被
覆されたり、あるいはその外周に熱輻射率の低い材質で
あるアルミナ製の円筒が設置されているものも良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は縦型ブリッジマン法
による半導体製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】縦型ブリッジマン法による半導体結晶製
造は、１つの例として図３(a)に示す模式図のようにル
ツボ４に多結晶原料と種結晶１５を入れ、それを収容し
たアンプル５内にロータリーポンプ等による真空引きに
より真空封入する。このアンプルを図３(b)の図に示す
ような低温度帯（一般に５００℃〜１０００℃）と高温
度帯（一般に１２００℃〜１３００℃）を有する縦型温
度勾配炉（以下単に炉１３と称す。）で囲い、多結晶原
料を融解し、融液１４とする。もちろん、このようなア
ンプルを用いず、ルツボ等を含めた炉全体を不活性ガス
などの雰囲気中に封入する等の縦型ブリッジマン法も検
討されている。

【０００３】上記図３(a)のアンプル５を含んだ製造方
式にて以下説明をする。すなわち、種結晶１５部分の温
度を調整して種結晶の一部を融解し、種結晶と融液を馴
染ませる。この馴染ませることをシーディングあるいは
種付けと称されている。その後、炉１３（なお、図３
(a)以外の図１、２及び４、５、６では、炉１３の図示
は省略している。）を上方に移動して、種結晶部分から
温度を降下していくことにより単結晶を成長することと
なるのは良く知られている。

【０００４】このような半導体製造における技術上の大
きな問題として、転位・リネージ（転位の集合体）・ツ
イン（双晶）等の結晶欠陥が発生することがある。この
原因として、先ず、種結晶１５と融液１４を馴染ませる
ことが正常に行われないこと、すなわちシーディング不
良が考えられる。シーディングが正常に行われないのは
図４に示すように、融け込み不良、種結晶融失、
メルト潜り、の３つのタイプに分類される。

【０００５】の融け込み不良は図４(a)に示すよう
に、温度が低すぎたため種結晶１５が融けこまなかった
場合である。の種結晶融失は図４(b)に示すように、
温度が高すぎたために種結晶が全部融解消失し、結果的
に多結晶化してしまう現象である。一方、のメルト潜
りは、炉１３の温度の「ふらつき」等が原因して、シー
ディング位置で温度揺らぎが生じて種結晶１５が部分的
に融解し、図４(c)に示すように融液１４が種結晶１５
とルツボ４の隙間から侵入して、別の結晶核が発生し結
果的に多結晶化する現象である。

【０００６】なお、図４(a)での空間１７は、原料の融
解が不充分なため、融液１４が種結晶１５に接触せずに
浮き、融液１４と種結晶１５との間に出来たものであ
る。又、図４(b)では、融液１４が種結晶部分での表面
張力等のために空間１７がみられる。

【０００７】上記〜のシーディング不良は、図５
(a)に示すような熱流１６が原因していると考えられ、
そのシーディング不良を防ぐためにはシーディング時種
結晶内の温度勾配をできる限り高めれば良く、それに伴
ってシーディング時における種結晶と融液との界面位置
の揺らぎを少なくできると考えられる。

【０００８】また、図５(b)に示すように、結晶が肩部
１８で成長するときに、結晶成長の固液界面１９が凹化
することが考えられる。これは、図５(a)に示すような
熱流が原因して図５(b)になったと思われる。図５(b)に
示す肩部１８とは、種結晶部からルツボ面の傾斜してく
る部分で、次に胴部１（図５(b)にのみ表示し、他の該
当図では、その表示を省略する。）になるところまでで
ある。結晶成長時の固液界面１９が凹化した場合、固液
界面１９に応力集中が起こり、転位密度の増加、リネー
ジの発生、スリップの発生が起こり易いと考えられる。

【０００９】上記の対策として、ステージ６に熱伝導率
の低い材料を用いて、図６(a)、(b)に示すようにステー
ジ６ではなく種結晶部に熱が流れて、熱がルツボ内等に
篭ることのないように試みられてきた。なお、胴部１で
の成長時は、上記シーディング時の結晶欠陥は、肩部１
８に続きそのまま成長してゆくものであり、肩部成長時
に発生した結晶欠陥も引き続いてそのまま成長してゆく
ものと考えられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記のステージ６に熱
伝導率の低い材質を用いるような対策では、依然として
半導体単結晶中には結晶欠陥の発生がみられ、良質な単
結晶を縦型ブリッジマン法で得ることはできない。すな
わち、縦型ブリッジマン法による半導体結晶製造におい
ては、炉内の１０００Ｋ以上という熱環境に耐える材質
で、熱流を図５(a)、(b)から図６(a)、(b)に十分に変化
させるようなステージ材は得られないのである。

【００１１】そこで、本発明では、ステージ６への従来
からの取り組み等では不十分であった上述の如き熱の流
れに着目し、シーディング不良の解消を目的として、シ
ーディング時の熱流を図６(a)になるようにした。すな
わちルツボ４中の熱流が種結晶へ集中的に流れ込むよう
にし、更に結晶の固液界面の肩部成長時には、その結晶
成長の固液界面１９が凸化する図６(b)となるような半
導体単結晶製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】多結晶原料及びその融液
１４を収容するルツボ４とルツボを支えるステージ６と
ステージを支える下軸７と炉１３を形成する縦型ブリッ
ジマン法による半導体結晶製造装置において、下軸外面
に冷却パイプが巻き付けられ、シーディング時から結晶
成長中は常時冷却パイプに冷却水あるいは空気が流され
ているような図１に示すような装置である。なお、図１
のアンプル５を使用しない装置等においても、縦型ブリ
ッジマン法の熱流の原理は同じと考えられる。

【００１３】又、ステージ７を支持する下軸の外面がア
ルミナあるいはパイロリティックナイトライド(pBN)に
より被覆されているようなもの、あるいはその下軸の外
周にアルミナあるいはパイロリティックナイトライド(p
BN)の円筒が設置されていたり、さらに、ルツボの外面
の材質がカーボンとした構成にするのも良い。また、ス
テージを支える下軸が中央を貫く円板をステージ底部に
設置するのも良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】例えば、ガリウム砒素(GaAs)で
は、融液及び固体の熱伝導率の値に大差があること、あ
るいは凝固時の潜熱が非常に大きいこと等により、界面
形状が凹化して転位が発生しやすい。縦型ブリッジマン
法では、例えば引き上げ法と比べて、径の安定した結晶
を得やすく、このため転位が少なくなると考えられる。

【００１５】従って、本発明では、この縦型ブリッジマ
ン法を用いて良質の化合物半導体を得ることを前提とし
て、併せて、径の安定した大口径のものを得ることによ
り、ウェハの歩留向上とコストを低下させることを可能
とするものである。すなわち、縦型ブリッジマン法で良
質な単結晶を得るには、熱流が種結晶の向けて流れるよ
うにするわけで、種結晶部の温度を低く押さえ、そし
て、ルツボ上部の温度を高くすることである。

【００１６】本発明の実施例を図１により説明すると、
図１(a)にはステージ６の下方に結合されている下軸７
に沿って冷却パイプ８が設置される。シーディング時
に、冷却パイプ８中に水又は空気等の冷媒を流すことに
より下軸の温度を低下させる。

【００１７】又、他の例として図１(b)には、下軸７の
外表面に熱輻射率の低い材質で被覆することにより下軸
７が炉１３からの熱輻射（図７のαに相当）により加熱
されるのを減少させている。この事により、下軸温度が
上昇するのを防ぐことなるため、ルツボ４での多結晶が
納められた部分（以下ルツボ上部と称す。）から、種結
晶１５が納められている部分（以下、種結晶部と称
す。）に流れ込む熱流が増加する。

【００１８】又、図１(c)では、下軸７の外側に熱遮蔽
効果を有する円筒１０を設置する事によりヒーター面か
らの熱輻射（図７のαに相当）による加熱を抑制してい
る。この事により下軸外表面の温度が低下する事となる
為、ルツボ上部から種結晶部に流れ込む熱流が増加す
る。

【００１９】図２(a)では、ステージ６底部に、アルミ
ナあるいはパイロリティックボロンナイトライド(pBN)
のような熱輻射率の低い円板（中央には、下軸が通
る。）が水平に設置されており、熱の逃げを中央下軸か
ら行うようにしている。肩部成長時には界面形状が凸に
なることは、ルツボ上部から種結晶部に流れる熱量が全
体的に増加することによるもので、上述の全ての例と同
じである。

【００２０】上図１(a)〜(c)及び図２(a)に示す結晶成
長方法を用いると、ルツボ上部より種結晶部に流れ込む
熱流が増加する。このことによりシーディング時には種
結晶の温度勾配が増加し、肩部成長時には界面形状が凸
になると考えられる。

【００２１】図２(b)には、ルツボ５外表面の熱輻射率
を増加させるために、外表面にカーボンコート１１を行
うことにより炉１３からの熱輻射による加熱（図７のβ
に相当）を増加させる。これにより、ルツボ上部の温度
が上昇し、上記図１(a)〜(c)あるいは図２(a)とを併用
することにより、ルツボ上部から下部に流れる熱流が全
体的に増加して、シーディング時の種結晶部温度勾配が
増加すると考えられる。

【００２２】更に、図１(a)〜(c)，図２(a)〜(b)は全て
アンプル５が示されているがアンプルの無いような全体
を１つの雰囲気中に封じ込めても同様のことが成り立つ
と考えられる。

【００２３】固体中に流れる熱流は下式に示す様に固体
の温度勾配に比例する。固体中に流れる熱流Ｑ（ｃａｌ／ｃｍ²・ｓｅｃ）＝固
体の熱伝導率λ（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・Ｋ）×固体の
温度勾配ｄＴ／ｄＺ（Ｋ／ｃｍ）この様に固体である種結晶内を流れる熱流を増加する事
を狙うことは、種結晶部の温度勾配の増加を狙うこと等
と等価でありその考えが本発明の基本となっている。

【００２４】

【実施例】本発明について５例の実施例について詳述す
る。

【００２５】

【表１】

【００２６】図１(a)の装置を使用してガリウム砒素(Ga
As)単結晶を育成した。アンプルは高さ６００ｍｍ，内
径９１ｍｍ，種結晶部は直径５ｍｍで長さは１０ｍｍ
で、その中に種結晶を挿入して、直径９０ｍｍのパイロ
リティックボロンナイトライド(pBN)ルツボに５０００
ｇのガリウム砒素(GaAs)原料封入した。（以上は図１
(b)(c)及び図２(a)(b)も同じ。）そして、下軸７（直径
５０ｍｍのシリコンカーバイド(SiC)製の長さ１ｍのも
ので、大地に直結）の周囲に密着して冷却パイプ８を巻
き付けた。

【００２７】この冷却パイプ８の内径は５ｍｍ（冷却パ
イプの肉厚１ｍｍの１８−８ステンレス）でシーディン
グ時から成長時常に流速１ｃｍ／ｓのペースで水を流し
た。これにより、従来実験でシーディング時の種結晶部
の温度勾配は３Ｋ／ｃｍ程であったが、８Ｋ／ｃｍ程に
なったのが種結晶部の温測データより明らかとなった。
なお、種結晶部の上部と下部に熱電対を密着挿入して、
種結晶部の温度勾配を測定した。以下、図１(b)(c)及び
図２(a)(b)とも種結晶部の温度勾配の測定方法は同じで
ある。

【００２８】この後３ｍｍ／ｈの炉の移動速度で結晶製
造を行い、得られた結晶の成長縞の形状を観察（試料断
面をエッチングして、光学顕微鏡で観察する。）したと
ころ従来技術に比べて明らかな凸化が見られた。また転
位密度を確認（エッチングした表面を電子顕微鏡で観察
する。）したところ２０００／ｃｍ²と従来実験の１０
０００／ｃｍ²に比して明らかに減少が見られた。な
お、冷却パイプ８に空気（室温）を流した場合も、同様
であった。

【００２９】図１(b)の装置を使用してガリウム砒素(Ga
As)単結晶を育成する場合に、直径９０ｍｍのパイロリ
ティックボロンナイトライド(pBN)ルツボに５０００ｇ
のガリウム砒素(GaAs)原料封入した。下軸は図１(a)と
同じシリコンカーバイド(SiC)のものに、その外面に５
０μｍのパイロリティックボロンナイトライド(pBN)を
被覆したものを用いた。これにより従来のシーディング
時の種結晶部の温度勾配は３ｋ／ｃｍ程であったが、５
ｋ／ｃｍ程になったのが種結晶部の温測データより明ら
かとなった。

【００３０】この後３ｍｍ／ｈの炉の移動速度で結晶製
造を行い、得られた結晶の成長縞を観察したところ従来
に比して明らかな凸化が見られた。また得られた結晶の
転位密度を確認したところ５０００／ｃｍ²と従来実験
の１００００／ｃｍ²に比して明らかに減少が見られ
た。

【００３１】図１(c)の装置を使用してガリウム砒素(Ga
As)単結晶を育成する場合に、直径９０ｍｍのパイロリ
ティックボロンナイトライド(pBN)ルツボに５０００ｇ
のガリウム砒素(GaAs)原料を封入した。下軸７は図１
(a)(b)と同じ直径５０ｍｍシリコンカーバイド(SiC)で
あり、その外側にアルミナの円筒１０（外径６５ｍｍ、
内径５５ｍｍ）を設置した。これにより従来シーディン
グ時の種結晶部の温度勾配は３Ｋ／ｃｍ程であったが、
４Ｋ／ｃｍ程になったのが種結晶部の温測データより明
らかとなった。

【００３２】この後３ｍｍ／ｈの炉移動速度で結晶製造
を行い、得られた結晶の成長縞を観察したところ従来に
比して明らかな凸化が見られた。また得られた結晶の転
位密度を確認したところ８０００／ｃｍ²と従来の１０
０００／ｃｍ²に比して減少が見られた。

【００３３】図２(a)の装置３では、直径９０ｍｍのパ
イロリティックボロンナイトライド(pBN)ルツボに５０
００ｇのガリウム砒素(GaAs)原料を封入しガリュウム砒
素(GaAs)単結晶を作成した。図１(a)(b)(c)と同様のシ
リコンカーバイド(SiC）の下軸７を使用し、その下軸
が、中央を貫くアルミナ製の円板２（厚み１０ｍｍで外
径が１２０ｍｍ）をステージ６底部及び下軸７に密着し
て設置した。これにより従来シーディング時の種結晶部
の温度勾配は３Ｋ／ｃｍ程であったのが、１０Ｋ／ｃｍ
程になったのが種結晶部の温測データより明らかとなっ
た。

【００３４】この後、３ｍｍ／ｈの炉移動速度で結晶製
造を行い、得られた結晶の成長縞を観察したところ従来
に比して明らかな凸化が見られた。また得られた結晶の
転位密度を確認したところ２０００／ｃｍ²と従来の１
００００／ｃｍ²に比して明らかに減少した。

【００３５】図２(b)の装置を使用してガリウム砒素(Ga
As)単結晶を育成する場合に、直径９０ｍｍのパイロリ
ティックボロンナイトライド(pBN)ルツボに５０００ｇ
のガリウム砒素(GaAs)原料を封入した。なおパイロリテ
ィックボロンナイトライド(pBN)ルツボの外表面には１
００μｍ厚みのカーボン１１が真空蒸着により被覆され
ている。

【００３６】これにより、シーディング時の種結晶部の
温度勾配は図１(a)〜(c)、図２(a)の温度勾配の上昇に
加えて、更に０．５Ｋ／ｃｍ程増加されることになった
のが種結晶部の温測データより明らかとなった。この
後、３ｍｍ／ｈの炉移動速度で結晶製造を行い、得られ
た結晶の転位密度を観察したところ図１(a)〜(c)、図２
(a)の時の転位密度の値から更に１０００／ｃｍ²程減少
した。

【００３７】

【発明の効果】本発明による縦型ブリッジマン法による
半導体単結晶製造方法において、ルツボ上部から種結晶
部に流れこむ熱流を増加させることが出来る。そして、
融液と固体との界面形状の凸化、及び種結晶部の温度勾
配を急峻化させたことにより結晶欠陥の発生を低減させ
ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３例（(a)〜(c)）の方法を示す模式図
である。

【図２】本発明の他の２例（(a)〜(b)）の方法を示す模
式図である。

【図３】縦型ブリッジマン法による半導体単結晶製造の
模式図である。

【図４】シーディング不良の形態を示す図である。

【図５】ルツボ上部から種結晶部に流れこむ従来の熱流
を示す図である。

【図６】ルツボ上部から種結晶部に流れこむ本発明の熱
流を示す原理図である。

【図７】炉からの熱流を示す模式図である。

【符号の説明】

１・・・胴部２・・・円板３・・・大気４・・・ルツボ（坩堝）５・・・アンプル６・・・ステージ７・・・下軸８・・・冷却パイプ９・・・pBN被覆１０・・・円筒１１・・・カーボン被覆１２・・・太い中空の下軸１３・・・炉１４・・・融液１５・・・種結晶１６・・・熱流１７・・・空間１８・・・肩部１９・・・固液界面２０・・・単結晶２１・・・炉からの熱流の方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多結晶原料、その融液及び製品の半導体
結晶を入れるルツボと、ルツボを支えるステージと、ス
テージを支える下軸と、縦型温度勾配炉とにより形成さ
れる縦型ブリッジマン法において、ルツボ上部からの熱
流を種結晶部に流れ込むように下軸の温度上昇を抑制す
ることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
【請求項２】ステージを支える下軸の外面に、冷却媒
体が通る冷却パイプが巻かれていることを特徴とする請
求項１記載の半導体結晶の製造方法。
【請求項３】ステージを支える下軸の外面が、熱輻射
率の低い材質で被覆されていることを特徴とする請求項
１記載の半導体結晶の製造方法。
【請求項４】ステージを支える下軸の外周に、熱輻射
率の低い材質により構成された円筒が設置されているこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体結晶の製造方法。
【請求項５】ステージを支える下軸が中央を貫く熱輻
射率の低い材質の円板を、ステージ底部に設置したこと
を特徴とする請求項１記載の半導体結晶の製造方法。
【請求項６】請求項３〜５のいずれか１項に記載の熱
輻射率の低い材質が、アルミナあるいはパイロリティッ
クボロンナイトライド(pBN)であることを特徴とする半
導体結晶の製造方法。
【請求項７】請求項１記載のルツボの外面がカーボン
で被覆されていることを特徴とする半導体結晶の製造方
法。