JP2007182361A - 半絶縁性ＧａＡｓウェハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧａＡｓウェハの面内転位密度（ＥＰＤ値）及び残留応力を一定範囲に絞り込むことにより、イオン注入後の活性化アニールの如き熱処理においてスリップ転位の発生をなくした半絶縁性ＧａＡｓウェハの提供。
【解決手段】ＬＥＣ法又は縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）によりＧａＡｓ単結晶１０を成長させる際の結晶中の温度勾配を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下とすることにより、ウェハ面内の転位密度（ＥＰＤ）を、３０，０００個／ｃｍ^２以上１００，０００個／ｃｍ^２以下とする。ＧａＡｓ単結晶１０を成長させた後、ＧａＡｓ単結晶１０にアニールを実施する際に、アニール時の最高到達温度を９００℃以上１１５０℃以下とし、かつＧａＡｓ単結晶１０中の温度勾配を０℃／ｃｍ以上１２．５℃／ｃｍ以下とすることにより、光弾性測定で得たウェハ面内残留歪値（｜Ｓｒ-Ｓｔ｜）を、１．８×１０^-５以下の範囲とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半絶縁性ＧａＡｓウェハ及びその製造方法に係り、特にウェハの転位密度（ＥＰＤ：Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ）及び残留歪値を規定することにより、ＧａＡｓウェハを用いて電子デバイスを製造する過程で行われるイオン注入（ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）後の活性化アニールの如き熱処理においてスリップ転位の発生をなくした半絶縁性ＧａＡｓウェハ及びその製造方法に関するものである。

半絶縁性ＧａＡｓウェハの製造方法としては、ＬＥＣ法（液体封止引き上げ法）及び縦型融液法（垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）、垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法））の２通りが一般的な手法である。以下、各手法について説明する。

ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法を図１によって説明する。

ＬＥＣ法のＧａＡｓ単結晶製造装置１は、炉体部分であるチャンバー２、結晶を引き上げる為の引上軸３、原料の容器であるルツボ５、該ルツボを受ける為のルツボ軸４を有する構造となっている。

ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法については、先ず原料の容器となるルツボ５（ルツボの材質にはＰＢＮを用いるのが一般的である）に、ＧａとＡｓ及びＡｓの揮発防止材である三酸化硼素６を入れ、これをチャンバー２内にセットする。また、引上軸３の先端に結晶の元となる種結晶７を取りつける。この種結晶７はＧａＡｓ融液と接する面を（１００）面としているのが一般的である。

チャンバー２に原料をセットした後、チャンバー２内を真空にし、不活性ガスを充填する。その後、チャンバー２内に設置してある抵抗加熱ヒータ８に通電してチャンバー２内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成しＧａＡｓを作製する。その後、更に昇温させＧａＡｓを融液化させ、ＧａＡｓ融液９とする。続いて、引上軸３、ルツボ軸４を回転方向が逆になるように回転させる。この状態で、引上軸３を先端に取り付けてある種結晶７がＧａＡｓ融液９に接触するまで下降させる。続いて、抵抗加熱ヒータ８の設定温度を徐々に下げつつ引上軸３を一定の速度で上昇させることで、種結晶７から徐々に結晶径を太らせながら結晶肩部を形成する。結晶肩部の形成後、目標とする結晶外径となったならば、外径を一定に保つように外形制御を行いつつ、ＧａＡｓ単結晶１０の製造を行う。

次に、縦型融液法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法を図２によって説明する。

縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）のＧａＡｓ単結晶製造装置２１は、炉体部分であるチャンバー２２と、原料の容器であるルツボ２５を受ける為のルツボ軸２４を有する構造となっている。

ＶＢ法（若しくはＶＧＦ法）によるＧａＡｓ単結晶の製造方法については、先ず原料の容器となるルツボ２５（ルツボの材質にはＰＢＮを用いるのが一般的である）に、ＧａＡｓ多結晶及びＡｓの揮発防止材である三酸化硼素２６を入れる。また、ルツボ２５の先端細径部内に、結晶の元となる種結晶２７を取りつける。この種結晶２７はＧａＡｓ融液と接する面を（１００）面としているのが一般的である。これらをチャンバー２２内にセットする。

続いて、チャンバー２２内を真空にし、不活性ガスを充填する。その後、チャンバー２２内に設置してある抵抗加熱ヒータ２８に通電し、チャンバー２２内の温度を下部から上部に向かって温度が高くなる様に温度勾配を設定した状態で昇温し、ＧａＡｓ多結晶を融液化させ、ＧａＡｓ融液２９とする。更に、ルツボ２５の先端に設置した種結晶２７にＧａＡｓ融液２９が接触するまで炉内温度を昇温し種付けを行なう。

続いてＶＢ法の場合は、この状態から抵抗加熱ヒータ２８の設定値を固定した状態のまま、ルツボ軸２４を一定の速度で降下させることで、種結晶２７からＧａＡｓ融液２９を固化させてＧａＡｓ単結晶の製造を行う。また、ＶＧＦ法の場合は、種付け後に、ルツボ軸２４は移動させず、抵抗加熱ヒータ２８の設定値を一定の割合で降温させることで、種結晶２７からＧａＡｓ融液２９を固化させてＧａＡｓ単結晶の製造を行う。

上述したＬＥＣ法及び縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）には、それぞれに長所、短所がある。

ＬＥＣ法の場合、急峻な温度勾配の条件のもとで結晶成長が行なわれる。その為、結晶の冷却が安易であり、結晶成長の高速化に適しており、スループットの面で非常に有利である。しかし、急温度勾配のもとでの結晶成長により、ウェハの面内転位密度がＶＢ、ＶＧＦ法と比較して高い（直径φ１５．２４ｃｍ（６インチ）サイズのウェハで面内平均転位密度が５０，０００〜１００，０００個／ｃｍ²）という点がある。ただし注釈を加えるならば、半絶縁性ＧａＡｓウェハの転位密度が電子デバイス特性に与える影響については未だ調査段階であり、単純に転位密度が低いものが良いという結論には到っていない。

一方、ＶＢ、ＶＧＦ法の場合、緩やかな温度勾配のもとで結晶成長が行なわれる。よって、ＬＥＣ法とは逆に、結晶成長の高速化に不向きであり、スループット面では不利である。しかし、ウェハの転位密度の低転位化には有利である（直径φ１５．２４ｃｍ（６インチ）サイズで面内平均転位密度が約１０，０００個／ｃｍ²）。

ところで、半絶縁性ＧａＡｓウェハは、高速動作および低消費電力を必要とする電子デバイス用の基板材料として用いられている。この電子デバイス用基板として電子デバイスメーカに供給された半絶縁性ＧａＡｓウェハは、その電子デバイス製造過程で、イオン注入後の活性化アニールに代表されるアニール処理（加熱処理）が施される。

イオン注入（ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）は、ＧａＡｓウェハ表面に例えばＳｉイオンを打ち込むことで、ウェハの導電性を向上させることを目的とする。しかし、イオン注入プロセスで結晶の格子配列に乱れが発生し、そのため電気伝導率の向上も不十分な状態となる。そこで、結晶格子をきれいに再配列させる為に活性化アニール処理を実施する。

このアニール処理は各電子デバイスメーカで独自の条件で行なっているが、基本的には温度を約５００〜９００℃付近まで急昇温し、その後急冷するという方法が一般的に取られている手法である。

アニール処理技術に関しては、従来、ＬＥＣ法と縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）を比較考量し、ＬＥＣ法よりも縦型融液法で製造したＧａＡｓ結晶によるウェハの方が低転位密度、低残留歪であることに着目して、これをイオン注入用基板として活用する試みがなされている（特許文献１参照）。ただし、実際に大量生産のレベルで縦型融液法で得た結晶を用いると、従来のＬＥＣ法によるＧａＡｓ結晶（ＬＥＣ結晶）に較べ、安定した特性が得られないことがある。また、この縦型融液法で得たＧａＡｓ結晶の場合、従来からのＬＥＣ法によるＧａＡｓ結晶（ＬＥＣ結晶）で行われていたのと同様の熱処理を施すと、特に直径７．６２ｃｍ（３インチ）以上の大口径の結晶では、転位密度および残留歪が増加してしまうし、また均一化メカニズムもＬＥＣ結晶と異なる可能性がある。そこで特許文献１では、より安定して均一な電気特性が得られるＧａＡｓ結晶の製造条件、及び結晶の特性を絞り込むことにより、実際に生産に用いることのできる高品質なＧａＡｓウェハを実現し、更には最適な熱処理条件を新たに検討するとしている。
特開平１１-２６８９９７号公報

ところで、従来技術の問題点として、従来技術に記載したＬＥＣ法や縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）で得たＧａＡｓ結晶を基板として用いる電子デバイスの製造では、イオン注入後の活性化アニール処理において、アニール処理後のＧａＡｓウェハにスリップ転位が発生し、製品として使用出来ないという不具合が発生している。

スリップ転位が発生する最大の要因は、アニール処理時のウェハ面内の温度不均一が挙げられる。この点においては、各電子デバイスメーカでアニールの手法の改良を進めている。

しかし、近年、ウェハの大口径化が進んで来ており、ＧａＡｓウェハも従来の直径１０．１６ｃｍ（４インチ）サイズから直径１５．２４ｃｍ（６インチ）サイズへと主流が変わりつつあり、従来に増してアニール時のウェハ面内温度均一化に、より高度な制御を要する状況となっており、従来に増して大きな課題点となっている。

上述した特許文献１の場合、ＬＥＣ法よりも縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）の方が低転位密度、低残留歪のＧａＡｓ結晶が得られることから、これをイオン注入用基板として活用しようと試みている。

しかし、縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）ではＬＥＣ法によるＧａＡｓ結晶（ＬＥＣ結晶）に較べ安定した特性が得られず、また、ＬＥＣ結晶で行われていたのと同様の熱処理を施すことができず、最適な熱処理条件を新たに検討する必要がある。

さらに、これが最も重要な点であるが、「縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）の結晶の方が残留応力が低い」ということは、直ちにスリップ転位の発生も少ない、ということにはならない点である。本発明者等が鋭意研究努力した結果から言えば、活性化アニール後のスリップ転位の発生は単に残留応力だけに起因するものではない。

従来通りのＬＥＣ法であっても、スリップ転位の発生率の少ないＧａＡｓ結晶の特性、例えばウェハ面内転位密度（ＥＰＤ値）や残留応力の値を絞り込むことができれば、実際にイオン注入用基板の生産に用いることのできる高品質なＧａＡｓウェハを実現することができる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＬＥＣ法により又は縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）であってもよいが、これらにより得られるＧａＡｓ結晶について、ウェハの面内転位密度（ＥＰＤ値）及び残留応力を一定範囲に絞り込むことにより、イオン注入後の活性化アニールの如き熱処理においてスリップ転位の発生をなくした半絶縁性ＧａＡｓウェハ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の半絶縁性ＧａＡｓウェハは、直径１０．１６ｃｍ（４インチ）以上の半絶縁性ＧａＡｓウェハであって、ウェハ面内の転位密度（ＥＰＤ）が、３０，０００個／ｃｍ^２以上１００，０００個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする。

ここで、応力の大きさによって偏向面が回転する光弾性現象を利用した測定によるウェハ面内残留歪値（｜Ｓｒ-Ｓｔ｜）が、１．８×１０^-５以下の範囲にあることが好ましい。

また、上記目的を達成するため、本発明の半絶縁性ＧａＡｓウェハの製造方法は、ＧａＡｓ単結晶を成長させる際の結晶中の温度勾配を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下とすることにより、ウェハ面内の転位密度（ＥＰＤ）を、３０，０００個／ｃｍ^２以上１００，０００個／ｃｍ^２以下とすることを特徴とする。

前記ＧａＡｓ単結晶を成長させた後、更に前記ＧａＡｓ単結晶にアニールを実施することが好ましい。

前記アニール時の最高到達温度を９００℃以上１１５０℃以下とし、かつ前記ＧａＡｓ単結晶中の温度勾配を０℃／ｃｍ以上１２．５℃／ｃｍ以下とすることにより、ウェハ面内残留歪値（｜Ｓｒ-Ｓｔ｜）を、１．８×１０^-５以下の範囲とすることができる。

本発明によれば、半絶縁性ＧａＡｓウェハを基板として用いる電子デバイス製造において、イオン注入後の活性化アニールに代表されるウェハ加熱処理で発生するスリップ転位による製品不良を大幅に低減することが可能となり、電子デバイス製造における歩留の向上を図ることができる。

（発明の要点）
従来、半絶縁性ＧａＡｓウェハの転位密度が電子デバイス特性に与える影響については未だ調査段階であり、単純に転位密度が低いものが良いという結論には到っていない。

この点につき、本発明者等が鋭意研究努力した結果、同じ残留応力であれば、転位が多いＧａＡｓ結晶の方が活性化アニール後のスリップ転位が発生しにくい、ということを見出した。換言すれば、同じ残留応力であれば縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）による結晶のウェハよりも、転位の多く出るＬＥＣ法による結晶のウェハの方のが、スリップ転位が発生しにくい。

そこで本発明は、次のようにスリップ転位の発生率の少ないＧａＡｓ結晶の特性を絞り込むことにより、ＬＥＣ法であっても、実際にイオン注入用基板の生産に用いることのできる高品質なＧａＡｓウェハを製造することに成功した。すなわち、一つはウェハ面内の転位密度（以下ＥＰＤと称する）であり、これは３×１０⁴個／ｃｍ²≦ＥＰＤ≦１×１０⁵個／ｃｍ²の範囲にあること、また他の一つは光弾性測定により得られるウェハ面内の残留歪値（｜Ｓｒ-Ｓｔ｜）であり、これは１．８×１０^-5以下の範囲にあることである。

なお特許文献１では、面内の平均転位密度が１×１０⁴個ｃｍ²以下で、光弾性測定により得られる平均残留歪（｜Ｓｒ-Ｓｔ｜）が１×１０^-5未満であるとしているので、ウェハ面内の転位密度（ＥＰＤ）を中心として比較する限り、本発明の範囲から外れたものとなっている。

以下、本発明の数値限定について詳しく説明する。

（ウェハ面内のＥＰＤの範囲）
本発明においてウェハ面内のＥＰＤを３×１０⁴個／ｃｍ²以上１×１０⁵個／ｃｍ²以下の範囲とした理由は、転位があることにより、金属全般に一般的に見られる現象として、転位発生部分では塑性変形が起き、塑性変形により転位が複雑に絡まり合い加工硬化がもたらされる。これにより、アニール時にかかる熱応力に対して強くなり、スリップ転位の発生が低減出来ると考えたからである。この加工硬化については、検証実験によりＥＰＤの値が３×１０⁴個／ｃｍ²以上から得られるという結果を得た。また、ＥＰＤの値が１×１０⁵個／ｃｍ²以下とした理由は、加工硬化が得られスリップ転位の低減効果があるものの、ＥＰＤが１×１０⁵個／ｃｍ²を超えると、結晶の亜粒界発生の可能性が高くなり、製品として使用不可となるためである。

（ウェハ面内の残留歪値｜Ｓｒ-Ｓｔ｜の範囲）
本発明においてウェハ面内の残留歪値｜Ｓｒ-Ｓｔ｜を１．８×１０^-5以下とした理由は、発明者の近年の調査によりウェハ面内の残留歪値とスリップ転位の発生との間に相関があることが判ってきており、残留歪値が高いとスリップ転位の発生率が徐々に高くなる傾向が見られる。また、ウェハ面内の残留歪値がある値を超えると、アニールでのスリップ転位の発生率が一気に高くなる臨界点があることが判ってきた。その臨界点が、｜Ｓｒ-Ｓｔ｜＝１．８×１０^-5付近であることから、残留歪値を上記の範囲としたものである。

（ウェハ面内の残留歪値｜Ｓｒ-Ｓｔ｜の測定方法）
残留歪の評価方法については、例えば、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ．，Ｖｏｌ．６４，Ｎｏ．７，ｐｐ．１８１５-１８２１ Ｊｕｌｙ １９９３に記載されている光弾性現象を利用した測定方法が用いられる。測定原理の概略としては、赤外光源によりウェハに光源を照射し、その透過光の偏向面の回転角度を検知する，この偏向面の回転角度はウェハの残留応力により決定されるため、これを検知する事で、ウェハの残留応力の測定が可能となる。

（残留歪値｜Ｓｒ-Ｓｔ｜の定義）
次に、｜Ｓｒ-Ｓｔ｜の定義について説明する。ウェハの残留歪は、円柱座標での半径方向の歪であるＳｒと円柱接線方向の歪であるＳｔの差の絶対値である｜Ｓｒ-Ｓｔ｜により算出することが出来る。ここで｜Ｓｒ-Ｓｔ｜は下記に示す関係式で定義される。

λ：光源の波長
ｄ：ウェハの厚さ
ｎ：屈折率
δ：サンプルの複屈折により生じる位相差
ψ：主振動方位角
ｐ_１１、ｐ_１２、ｐ_４４：光弾性定数
上記の式からδ及びψを測定する事でウェハの残留応力である｜Ｓｒ-Ｓｔ｜を算出する事が出来る。

（ＧａＡｓ単結晶を成長する際の結晶中の温度勾配の範囲）
本発明においては、ＧａＡｓ単結晶を成長する際の結晶中の温度勾配の範囲を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下としているが、この理由は以下の通りである。
結晶中に発生する転位は、一つに結晶が成長時に受ける熱応力が影響している。結晶は熱応力、つまりは結晶がある温度勾配を持った状態下におかれた場合、その応力を緩和する方向に転位が発生すると考えられている。そこで、本発明者らは、ＥＰＤの値を上記の３×１０^４個／ｃｍ^２以上１×１０^５個／ｃｍ^２以下とする為に、結晶成長時の結晶中に所定の温度勾配を設ける事でＥＰＤの値を制御することを考えた。
このため、結晶中の温度勾配の最適範囲の決定に当っては、ＬＥＣ法及びＶＢ法（若しくはＶＧＦ法）の両手法を用いてＧａＡｓ単結晶成長を行ない、その結晶成長において、結晶中の温度勾配の設定を変え、その時のＥＰＤの値がどうなるか実験を行なった。

図４に、結晶中の温度勾配と得られた結晶のＥＰＤの相関関係を示す。
この図より、結晶成長時の結晶中の温度勾配が２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下の範囲の時、再現性良く、ＥＰＤが３０，０００個／ｃｍ^２以上１００，０００個／ｃｍ^２以下の範囲を満足する事が分る。
従って、本発明では、半絶縁性ＧａＡｓウェハを得る為のＧａＡｓ単結晶を成長する際の結晶中の温度勾配の範囲を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下に設定している。

（アニール条件の好適な範囲）
本発明においては、上記のＧａＡｓ単結晶成長時の温度勾配により結晶成長を行なった後、アニールを実施する場合には、そのアニール条件として、最高到達温度が９００℃以上１１５０℃以下、アニール時の結晶中の温度勾配が０℃／ｃｍ以上１２．５℃／ｃｍ以下が好ましいとしているが、この理由は以下の通りである。
上記のように、ＧａＡｓ単結晶を成長する際の結晶中の温度勾配の範囲を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下に設定することで、ＥＰＤの値を上記の３×１０^４個／ｃｍ^２以上１×１０^５個／ｃｍ^２以下に制御することが可能であるが、一方で結晶にあえて熱応力を加える事から結晶内に残留応力を発生させてしまうという一面がある。

この点に関して、本発明者らは、図４で示した実験を行なった結晶において、温度勾配の設定条件を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下に設定したロットのみ抜き出して、結晶成長後にアニール等の処理をしない状態でウェハを採取し、ウェハ面内残留歪｜Ｓｒ-Ｓｔ｜を測定した。

図５に、測定したウェハ面内残留歪とロット数の関係を示す。
この結果、｜Ｓｒ-Ｓｔ｜の平均値が１．９３×１０^-５となり、｜Ｓｒ-Ｓｔ｜≦１．８×１０^-５を再現性良く制御する事が困難な結果となった。
そこで、本発明者らは、誠意工夫の結果、温度勾配の設定条件を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下に設定して結晶成長を行なった結晶においても、結晶成長後に上記したアニール処理を施す事で、熱応力によって結晶内に残留していた歪を効率良く除去する事が出来、その結果、ウェハ面内残留歪値を１．８×１０^-５以下の範囲内に制御する事が可能である事を見出した。

アニール条件の最適化に当っては、図５の残留歪測定の結果を受けて、１．９×１０^-５（平均値）、２．３×１０^-５（最大値）、１．５×１０^‐５（最小値）の３サンプルを用意して、アニール時の最高到達温度、及び結晶中の温度勾配をパラメータにとって残留応力の変化を測定し、最適条件の把握を実施した。
表１、２、３に各サンプル毎のアニール後の残留応力｜Ｓｒ-Ｓｔ｜の値を示す。

表１〜３において、網掛けされた欄は、アニール前の残留応力値に対して低減が見られ、且つ｜Ｓｒ-Ｓｔ｜が１．８×１０^-５以下の値を達成出来たアニール条件である。また、表内の「測定不可」は、結晶表面がアニールに用いた炉のヒータのオーバーシュートにより温度がＧａＡｓの融点まで上昇してしまい、結晶表面が融解してしまった為、測定が出来なくなってしまったものである。
表１〜３の結果から、全てのサンプルにおいて、アニール前の残留応力値に対して低減が見られ、且つ｜Ｓｒ-Ｓｔ｜が１．８×１０^-５以下を達成出来たアニール条件は、９００℃以上１１５０℃以下であり、かつアニール時の結晶中の温度勾配が０℃／ｃｍ以上１２．５℃／ｃｍ以下という結果を得た。以上の結果より、アニール条件の最適化を決定した。

本発明の半絶縁性ＧａＡｓウェハの製造方法では、ＬＥＣ法により製造したＧａＡｓ単結晶からも、イオン注入後の活性化アニール処理においてスリップ転位を生じない半絶縁性ＧａＡｓウェハが得られるという点に特色がある。勿論、縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）により製造したＧａＡｓ単結晶からも、ウェハ面内の転位密度（ＥＰＤ）とウェハ面内残留歪値（｜Ｓｒ-Ｓｔ｜）を上記の規定範囲とする半絶縁性ＧａＡｓウェハを得ることができる。また、ウェハのサイズは必ずしも直径１５．２４ｃｍ（６インチ）以上である必要はなく、直径１０．１６ｃｍ（４インチ）以上の半絶縁性ＧａＡｓウェハについても適用することができる。

直径１５．２４ｃｍ（６インチ）の半絶縁性ＧａＡｓウェハを用いて、ＥＰＤ及び残留歪値の２つをパラメータにとりウェハをそろえ、それらのウェハを用いてアニール実験を実施し、スリップの発生率を調査した。用意したウェハは、ＥＰＤの値に応じて、３０，０００〜１００，０００個／ｃｍ^２の範囲ではＬＥＣ法で製造したウェハを、３０，０００個／ｃｍ^２未満の範囲ではＶＧＦ法で製造したウェハを用いた。また、ＥＰＤの値が３０，０００〜１００，０００個／ｃｍ^２のウェハをＬＥＣ法で製造する際には、結晶成長時の結晶中の温度勾配を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下に調節する事でＥＰＤの値を調整した。また、ＥＰＤの値が３０，０００個／ｃｍ^２未満のウェハをＶＧＦ法で製造する際には、結晶成長時の結晶中の温度勾配を２０℃／ｃｍ未満の値で調整する事でＥＰＤの値を調整した。更に、ウェハ面内の残留応力については、実験に必要な残留応力値に応じて、結晶成長後に、上記範囲のアニールを実施、若しくは実施しない事で実験用のウェハサンプルを揃えた。

以下、実験に使用したＧａＡｓ結晶の製造方法について記載する。
まず、ＬＥＣ法を用いたＧａＡｓ単結晶製造方法について、図１に従って説明する。
原料の容器となるルツボ５としてＰＢＮ製ルツボを用い、このルツボ５にＧａとＡｓ及びＡｓの揮発防止材である三酸化硼素６を入れ、これをチャンバー２内にセットした。なお、チャージした重量は、Ｇａ：１５，０００ｇ、Ａｓ：１６，５００ｇ、三酸化硼素６：２，０００ｇとした。また、引上軸３の先端に結晶の元となる種結晶７を取りつけた。
チャンバー２にこれらの原料をセットした後、チャンバー２内を真空にし、不活性ガスを充填した。その後、チャンバー２内に設置してある抵抗加熱ヒータ８に通電してチャンバー２内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成しＧａＡｓを作製した。その後、更に昇温させＧａＡｓを融液化させ、ＧａＡｓ融液９とした。続いて、引上軸３、ルツボ軸４を回転方向が逆になるように回転させた。この状態で、引上軸３を先端に取り付けてある種結晶７がＧａＡｓ融液９に接触するまで下降させた。続いて、抵抗加熱ヒータ８の設定温度を徐々に下げつつ引上軸３を一定の速度で上昇させることで、種結晶７から徐々に結晶径を太らせながら結晶肩部を形成した。結晶肩部の形成後、目標とする結晶外径となったならば、外径を一定に保つように外形制御を行いつつ、ＧａＡｓ単結晶１０の製造を行った。ここで、この種結晶から結晶を成長する過程において、抵抗加熱ヒータ８の温度設定値や形状、更にはチャンバー２内の炉内部材構造等を調整する事で、結晶成長時のＧａＡｓ単結晶１０の結晶中の温度勾配の調整を図った。

次に、縦型融液法を用いたＧａＡｓ単結晶の製造方法について、図２に従って説明する。
原料の容器となるルツボ２５としてＰＢＮ製ルツボを用い、このルツボ２５に、ＧａＡｓ多結晶及びＡｓの揮発防止材である三酸化硼素２６を入れた。なお、チャージした重量は、ＧａＡｓ多結晶を２０，０００ｇ、三酸化硼素２６を２，０００ｇとした。また、ルツボ２５の先端に、結晶の元となる種結晶２７を取りつけた。これらをチャンバー２２内にセットした。続いて、チャンバー２２内を真空にし、不活性ガスを充填した。その後、チャンバー２２内に設置してある抵抗加熱ヒータ２８に通電し、チャンバー２２内の温度を下部から上部に向かって温度が高くなる様に温度勾配を設定した状態で昇温し、ＧａＡｓ多結晶を融液化させ、ＧａＡｓ融液２９とした。なお、今回の実験では炉内の温度勾配を２０℃／ｃｍ以下に設定して結晶成長を実施した。続いて、ルツボ２５の先端に設置し
た種結晶２７にＧａＡｓ融液２９が接触するまで炉内温度を昇温し種付けを行なった。続いて、抵抗加熱ヒータ２８の設定値を一定の割合で降温させる事で種結晶２７からＧａＡｓ融液を固化させる事でＧａＡｓ単結晶の製造を実施した。
以上、２通りの結晶製造方法により得られたＧａＡｓ単結晶をスライス、面取り、研磨を経てＧａＡｓウェハを準備した。

次に、アニール処理の実験は、図３に示すウェハアニール実験炉１４を用いて実施した。このウェハアニール実験炉１４は、チャンバー１５内にウェハ配置板１６があり、その上面にＧａＡｓウェハ１８を配置する構造となっている。また、ウェハ配置板１６の下部に、横方向に３つの加熱ゾーンを有する３ゾーン構造ヒータ１７を配置した構造となっている。この３ゾーン構造ヒータ１７の各ゾーンは、ＧａＡｓウェハ１８の両端と中央に位置するように配置してあり、これら３ゾーンのヒータ設定温度を調整することで、ウェハ面内の温度分布を自由に調整することが可能となっている。

今回の実験では、ウェハアニール実験炉１４の温度設定をウェハ中央部で８５０℃、ウェハ両端で８３０℃とし、ウェハ面内で中央、両端の温度差が２０℃となるよう設定した。そして、この温度設定値に到達するまでの時間を３０分、到達後、５分間保持、その後１時間で常温まで冷却を行なった。

この温度条件のもとで、ＥＰＤ及び残留歪値をパラメータに取り、数通りの組み合わせのウェハを用意し、実験を行なった。具体的には、ウェハ面内ＥＰＤ値については、０．８、１、３、５、８、１０（×１０⁴個／ｃｍ²）とし、ウェハ面内残留歪値（｜Ｓｒ-Ｓｔ｜）については、０．９〜２．０（×１０^-5）とした組み合わせのウェハを用意し、実験を行なった。なお、当実験ではＥＰＤ、残留歪値の各組み合わせ毎に１０枚のウェハを用意して実験を行ない、その時のスリップ転位の発生率を調べた。この結果を表４に示す。

上記の表４の結果からも明らかな様に、ウェハ面内のＥＰＤの値が、３０，０００個／ｃｍ^２以上１００，０００個／ｃｍ^２以下の範囲であり、なお且つ、ウェハ面内残留歪値｜Ｓｒ-Ｓｔ｜が、１．８×１０^-5以下の範囲（表４の網掛け領域）では、スリップ転位の発生率が最大でも２０％であり、本発明の有効性を示す結果となった。

ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法の説明に供する装置の概略図である。 縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）によるＧａＡｓ単結晶の製造方法の説明に供する装置の概略図である。 ウェハアニール処理の実験炉を示した概略図である。 結晶成長時の結晶中の温度勾配とＥＰＤとの相関関係を示すグラフである。 温度勾配の設定条件を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下に設定して成長させた結晶に、アニール処理を実施しないで、ウェハ面内の残留応力を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１ ＬＥＣ法のＧａＡｓ単結晶製造装置
２ チャンバー
３ 引上軸
４ ルツボ軸
５ ＰＢＮルツボ
６ 三酸化硼素
７ 種結晶
８ 抵抗加熱ヒータ
９ ＧａＡｓ融液
１０ ＧａＡｓ単結晶
１４ ウェハアニール実験炉
１５ チャンバー
１６ ウェハ配置板
１７ ３ゾーン構造ヒータ
１８ ＧａＡｓウェハ
２１ 縦型融液法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）のＧａＡｓ単結晶製造装置
２２ チャンバー
２４ ルツボ軸
２５ ＰＢＮルツボ
２６ 三酸化硼素
２７ 種結晶
２８ 抵抗加熱ヒータ
２９ ＧａＡｓ融液

Claims (5)

1. 直径１０．１６ｃｍ（４インチ）以上の半絶縁性ＧａＡｓウェハであって、ウェハ面内の転位密度（ＥＰＤ）が、３０，０００個／ｃｍ^２以上１００，０００個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする半絶縁性ＧａＡｓウェハ。
2. 応力の大きさによって偏向面が回転する光弾性現象を利用した測定によるウェハ面内残留歪値（｜Ｓｒ-Ｓｔ｜）が、１．８×１０^-５以下の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の半絶縁性ＧａＡｓウェハ。
3. ＧａＡｓ単結晶を成長させる際の結晶中の温度勾配を２０℃／ｃｍ以上１５０℃／ｃｍ以下とすることにより、ウェハ面内の転位密度（ＥＰＤ）を、３０，０００個／ｃｍ^２以上１００，０００個／ｃｍ^２以下とすることを特徴とする半絶縁性ＧａＡｓウェハの製造方法。
4. 前記ＧａＡｓ単結晶を成長させた後、更に前記ＧａＡｓ単結晶にアニールを実施することを特徴とする請求項３記載の半絶縁性ＧａＡｓウェハの製造方法。
5. 前記アニール時の最高到達温度を９００℃以上１１５０℃以下とし、かつ前記ＧａＡｓ単結晶中の温度勾配を０℃／ｃｍ以上１２．５℃／ｃｍ以下とすることにより、ウェハ面内残留歪値（｜Ｓｒ-Ｓｔ｜）を、１．８×１０^-５以下の範囲とすることを特徴とする請求項４記載の半絶縁性ＧａＡｓウェハの製造方法。

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