DE3827496A1 - Verfahren zur herstellung des substrats eines galliumarsenid-halbleiters - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her­ stellung des Substrats eines Galliumarsenid-Verbindungs- Halbleiters (GaAs compound semiconductor). Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines halb-isolierenden GaAs-Substrats, das eine einheit­ lich gute Verteilung seiner charakteristischen Eigen­ schaften aufweist und außerdem einen hohen spezifischen Widerstand hat.

Unter den Verbindungs-Halbleitern der Elemente der III. bis V. Gruppe des Periodensystems zeichnet sich Gallium­ arsenid (GaAs) dadurch aus, daß es eine hohe Elektronen- Beweglichkeit hat. Es wird daher verbreitet als kristal­ lines Substrat für bei ultrahoher Geschwindigkeit arbei­ tende integrierte Schaltkreise und optoelektronische Schaltkreise verwendet. Üblicherweise wird ein derartiges GaAs-Substrat aus einem Block hergestellt, den man im Rahmen des Schmelzschutzschicht(liquid encapsulation)-Verfahrens nach Czochralski erhalten hat. Dieses Verfahren wird nachfolgend als LEC-Verfahren abgekürzt bezeichnet. Allerdings hat das nach dem LEC-Verfahren hergestellte GaAs-Substrat im allgemeinen eine breite Verteilung der Eigenschaften (vgl. dazu: Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 21, No. 6, (1982), L 335-L 337).

Um die Verteilung der Eigenschaften derartiger Substrate einheitlich zu gestalten, wurde verbreitet das Verfahren unter Tempern des gesamten Substrat-Blocks in die Praxis umgesetzt. Dabei wird ein Galliumarsenid-Einkristall in Form eines Blocks bei hoher Temperatur über eine lange Zeit Hitze-behandelt, nämlich bei 800 bis 1100°C über 2 bis 48 Studen (vgl. GaAs IC Symposium, 1983 IEEE, D. Rumsky et al.). In "Appl. Phys. Lett. 44, (1984) 410; Miyazawa et al." wird darüber hinaus auch berichtet, daß bei der Verfahrensweise unter Temperung des gesamten Blocks eine Vereinheitlichung verschiedener Eigenschaften erreicht werden kann, beispielsweise der Schwellenspan­ nung, die besonders wichtig für die Verwendung in inte­ grierten Schaltkreisen ist.

Das genannte Verfahren unter Temperung des gesamten Blocks wird in der Weise ausgeführt, daß nach Erhitzen des Kristalls über viele Stunden dieser mit einer Ge­ schwindigkeit abgekühlt wird, die bei 50°C pro Stunde liegt. Dies ist sehr langsam, soll jedoch dazu dienen, keine Spannungen im Kristall hervorzurufen.

Für die Verwendung von Galliumarsenid-Substraten in hoch­ integrierten Schaltkreisen (large scale integration; LSI) und integrierten Schaltkreisen ist jedoch auch ein hoher spezifischer Widerstand wichtig, zusammen mit einer ge­ wissen Gleichmäßigkeit der sonstigen Eigenschaften. Der Grund hierfür ist, daß bei hohem spezifischem Widerstand die Bedingungen der Trennung zwischen einzelnen Elementen gut werden und in der Folge auch der Integrationsgrad groß gewählt kann. Zwar kann bei Temperung des Substrats in Blockform die Gleichmäßigkeit der verschiedenen Eigen­ schaften - wie oben beschrieben - verbessert werden, der spezifische Widerstand sinkt jedoch letztendlich. Dies hat zur Folge, daß Probleme mit dem Auftreten von Kriech­ strömen zwischen den einzelnen Elementen verursacht wer­ den oder daß Kriechströme zwischen der aktiven Schicht und dem Substrat auftreten.

Als Ergebnis intensiver Untersuchungen im Hinblick auf diese Situation wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats eines Galliumarsenid-(GaAs-)Verbindungs-Halb­ leiters entwickelt, das eine Erhöhung des spezifischen Widerstands des Substrats zum Ergebnis hat.

Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstel­ lung des Substrats eines Galliumarsenid-Verbindungs-Halb­ leiters, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man nach Tempern eines Kristalls eines Galliumarsenid-Verbindungs- Halbleiters in Blockform, der nach dem Schmelzschutzschicht-Ver­ fahren nach Czochralski erhalten wurde, schrittweisem Ab­ kühlen auf Raumtemperatur und Schneiden des Blocks in Plättchen eine erneute Hitzebehandlung des Plättchens vorsieht, die aus folgenden Schritten besteht:

• - Erhitzen auf eine Temperatur nicht unter 700°C,
• - schnelles Abkühlen von der Temperatur nicht unter 700°C auf eine Temperatur nicht über 400°C inner­ halb von 30 Minuten und
• - nachfolgendes Abkühlen auf Raumtemperatur, und man nachfolgend das Plättchen hochglanzpoliert.

Der Vorgang des schrittweisen Abkühlens des Galliumarse­ nid-Blocks wird nachfolgend als "Tempern" bezeichnet. Der Schritt des allmählichen Abkühlens der Plättchen nach dem erneuten Aufheizen wird nachfolgend als "Wiedererhit­ zungsbehandlung" bezeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt graphisch die Temperaturkurve der Wiederer­ hitzungsbehandlung, wie sie in einem erfindungsgemäßen Beispiel ausgeführt wird.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die spezifischen Wi­ derstände vor und nach der Wiedererhitzungsbehandlung dargestellt sind.

Fig. 3 ist ein Diagramm, in dem die Verteilung der Werte der spezifischen Widerstände des Plättchens vor und nach der Wiedererhitzungsbehandlung dargestellt sind. Darin bezeichnet "A" die Verteilung der Werte der spezifischen Widerstände nach dem Tempern und der nachfolgenden Wie­ dererhitzungsbehandlung, und "B" bezeichnet die Vertei­ lung der Werte der spezifischen Widerstände nach dem Tem­ pern und vor der Wiedererhitzungsbehandlung.

Der Grund, warum der Kristall des Galliumarsenid-Verbin­ dungs-Halbleiters, der nach dem LEC-Verfahren erhalten wurde, zuerst in Form eines Blocks getempert wird, liegt darin, daß dadurch eine gewisse Einheitlichkeit in der Verteilung der Eigenschaften des Blocks erreicht wird. Konkret wird der Block bei einer üblichen Temperatur von 700 bis 1100°C 2 bis 48 Stunden lang getempert und da­ nach schrittweise auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Ab­ kühlgeschwindigkeit liegt etwa 50°C pro Stunde. In die­ sem Fall liegt der Grund für die schrittweise Abkühlung auf Raumtemperatur darin, daß dadurch ein Reißen der Plättchen beim Zerschneiden des Blocks oder auch später verhindert werden kann.

Zum anderen liegt der Grund, warum der Kristall erfin­ dungsgemäß in Plättchen zerschnitten wird, bevor er einer Wiedererhitzungsbehandlung unterworfen wird, darin, daß so Spannungen im Kristall durch das einheitliche Kühlen bei dem Schritt des schnellen Abkühlens nur schwerlich auftreten können.

Zum dritten liegt der Grund dafür, daß die geschnittenen Plättchen nochmals auf eine Temperatur nicht unter 700°C erhitzt und anschließend schnell innerhalb von 30 Minuten von dieser Temperatur auf eine Temperatur nicht über 400°C abgekühlt werden, darin, daß hierdurch der spezifische Widerstand des Substrats erhöht werden kann.

In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Untersuchungen der Erfinder werden in dem in Blockform getemperten Kri­ stall eines GaAs-Verbindungs-Halbleiters in großen Mengen Donatoren gebildet. Dadurch wird der spezifische Wider­ stand erniedrigt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß eine große Zahl von Donatoren während des schrittweisen Abkühlens von 700°C auf 400°C gebildet werden, wenn der Block nach dem Tempern abgekühlt wird. Wenn allerdings der so gebildete Kristall des Plättchens nochmals erhitzt und danach schnell abgekühlt wird, d.h. von einer Tempe­ ratur nicht unter 700°C bis auf eine Temperatur nicht über 400°C innerhalb von 30 Minuten gekühlt wird, wie dies oben beschrieben wird, kann der spezifische Wider­ stand erhöht werden. Dies dürfte darauf beruhen, daß die während des Temperns in Blockform gebildeten Donatoren durch die Wiedererhitzungsbehandlung wieder beseitigt werden. Als Folge der Beseitigung der Donatoren, die wäh­ rend des Temperns des Substratblocks gebildet werden, jedoch durch Wiedererhitzen der Plättchen auf 700°C oder höher beiseitigt werden und deren erneute Bildung durch schnelles Abkühlen von einer Temperatur von 700°C oder höher auf eine Temperatur von 400°C oder niedriger innerhalb von 30 Minuten verhindert wird, wird es mög­ lich, den spezifischen Widerstand des Kristalls des Plättchens zu erhöhen.

Die Zeit zur Wiedererhitzung des Plättchens auf eine Temperatur nicht unter 700°C wird bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 60 Minuten gewählt. Darüber hinaus wird die Erniedrigung der Temperatur von einem Wert nicht über 400°C auf Raumtemperatur dadurch bewirkt, daß man die Plättchen schrittweise abkühlt. In diesem Temperaturbe­ reich wird der spezifische Widerstand des Kristalls der Plättchen nicht in besonderer Weise durch die Abkühlge­ schwindigkeit beeinflußt. Die schrittweise Abkühlung ist jedoch wünschenswert, um gleichmäßige Werte der inneren Spannung zu erreichen.

Durch Vorsehen einer derartigen Wiedererhitzungsbehand­ lung ist es möglich, daß Kristalle mit hohem spezifischem Widerstand erhalten werden, wobei die Gleichmäßigkeit der sonstigen Eigenschaften, wie sie durch das Tempern des Kristalls in Blockform erreicht wird, in dem Bereich bleibt, in dem sie war.

Die Erfindung wird nachfolgend durch ein Beispiel näher erläutert.

Beispiel

Ein Block aus einem GaAs-Einkristall (C-Konzentration: nicht über 4 × 10¹⁴ cm^-3) wurde nach dem LEC-Verfahren hergestellt und getempert. Danach wurde er in Plättchen- Form geschnitten. Das Plättchen wurde erfindungsgemäß einer Wiedererhitzungsbehandlung in einem Stickstoffstrom gemäß der Temperaturkurve unterworfen, die in Fig. 1 gezeigt ist. Die Nachbehandlung erfolgte in der Weise, daß nach dem Wiedererhitzen auf 850°C für 10 Minuten das Plättchen schnell von dieser Temperatur auf 400°C oder niedriger innerhalb von 20 Minuten abgekühlt wurde. Da­ nach wurde es schrittweise auf Raumtemperatur gekühlt.

Um die Auswirkung einer derartigen Wiedererhitzungsbe­ handlung klar zu machen, wurde der spezifische Widerstand der Plättchen nach dem Tempern und vor der Wiedererhit­ zungsbehandlung gemessen. Die Plättchen, die unterschied­ liche spezifische Widerstände aufwiesen, wurden der Wie­ dererhitzungsbehandlung unterworfen. Nach der Wiederer­ hitzungsbehandlung wurde deren spezifischer Widerstand nochmals gemessen. Die Messung der spezifischen Wider­ stände nach der Wiedererhitzungsbehandlung wurde nach Abätzen der Plättchenoberfläche um 50 µm durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt.

Wie sich aus Fig. 2 offensichtlich ergibt, zeigten alle Plättchen nach dem Wiedererhitzungsschritt einen spezifi­ schen Widerstand über 10⁷ Ω · cm und wurden dadurch halb­ isolierend. Dies galt selbst für die Plättchen, die vor dem Wiedererhitzungsschritt einen spezifischen Widerstand von weniger als 10⁷ Ω · cm hatten.

Darüber hinaus wurde die Verteilung der Werte der spezifi­ schen Widerstände von Plättchen nach dem Tempern und vor der Wiedererhitzungsbehandlung und auch nach der Wieder­ erhitzungsbehandlung in radialer Richtung untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt.

Wie sich aus Fig. 3, insbesondere der Kurve "A" der Ver­ teilung der Werte der spezifischen Widerstände von Plätt­ chen nach dem Schritt des Temperns und nachfolgenden Wie­ dererhitzens, offensichtlich ergibt, geht die Einheit­ lichkeit der Werte nicht verloren. Sie wird vielmehr durch die Wiedererhitzungsbehandlung eher noch verbes­ sert, verglichen mit den Werten für die Plättchen, deren spezifische Widerstände nach dem Tempern und vor dem Schritt des Wiedererhitzens bestimmt wurden (Kurve "B" in Fig. 3). Außerdem wurde nach dem Schritt des Wiederer­ hitzens der Wert des spezifischen Widerstands der Plätt­ chen an jeder Stelle größer.

Wie beschrieben, kann in Übereinstimmung mit der vorlie­ genden Erfindung der spezifische Widerstand im Kristall eines GaAs-Verbindungs-Halbleiters erhöht werden, wobei es möglich ist, die Einheitlichkeit der anderen Kenndaten beizubehalten. Aus diesem und anderen Gründen ergibt sich für die Erfindung ein bemerkenswerter industrieller Nut­ zen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung des Substrats eines Gallium­ arsenid-Verbindungshalbleiters, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Tempern eines Kristalls eines Galliumarse­ nid-Verbindungshalbleiters in Blockform, der nach dem Schmelzschutzschicht-Verfahren nach Czochralski erhalten wurde, schrittweisem Abkühlen auf Raumtemperatur und Schneiden des Blocks in Plättchen eine erneute Hitzebehandlung des Plättchens vorsieht, die aus folgenden Schritten besteht:

• - Erhitzen auf eine Temperatur nicht unter 700°C,
• - Schnelles Abkühlen von der Temperatur nicht unter 700°C auf eine Temperatur nicht über 400°C inner­ halb von 30 Minuten und
• - nachfolgendes Abkühlen auf Raumtemperatur, und man nachfolgend das Plättchen hochglanzpoliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Hit­ zebehandlung nach Schneiden des Blocks in Plättchen in einer Atmosphäre von Stickstoff-Gas durchgeführt wird.