JP2008201672A - ＩｎＰ基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドープしたＦｅの析出が抑制されたＩｎＰ基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るＩｎＰ基板の製造方法は、ＦｅドープしたＩｎＰ融液２２を封止剤２６で封止しつつＩｎＰインゴットをＶＢ法により作製して、ＩｎＰ基板を作製するＩｎＰ基板の製造方法であって、封止剤２６として、含有水分が２００重量ｐｐｍ以下の酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）を用いることを特徴とする。このＩｎＰ基板の製造方法においては、含有水分量を２００重量ｐｐｍ以下にして、Ｉｎ空孔を占有するＨ原子の数を低減している。そのため、ＩｎＰ基板にドープされたＦｅの原子が、Ｉｎ原子に置換されやすくなるため、Ｆｅの析出が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＦｅドープされたＩｎＰ基板及びその製造方法に関するものである。

従来より、ＩｎＰ基板にＦｅをドープすると、基板が高抵抗化することが知られている。例を示すと、ＩｎＰ基板にＦｅをドープして、Ｆｅ濃度を１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上にした場合には、そのＩｎＰ基板は１Ｅ７Ωｃｍ以上もの高い比抵抗を有することとなる。

なお、ＩｎＰ基板等のＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶を作製するＶＢ法、ＬＥＣ法及びＶＣＺ法においては、封止剤として一般に酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）が利用されており、この封止剤を利用した化合物半導体結晶の製造方法については、例えば下記特許文献１及び特許文献２に記載されている。
特開平１０−３６１９７号公報 特開昭５７−７８９６号公報

ＦｅドープＩｎＰ基板は、ＩｎＰ原料融液にＦｅをドーピングし単結晶を成長させることで得られる。この際、ＩｎＰ単結晶中のＦｅ濃度（Ｃ）は次式のようになる。
Ｃ＝ｋＣｏ（１−ｇ）^k-1
ここで、ｋは偏析係数、ＣｏはＩｎＰ原料融液中のＦｅの初期濃度、ｇは固化率であり、ｇは成長開始時においては０で、成長終了時に１となる。

Ｆｅの偏析係数は約０．００１と極めて小さいため、単結晶中のＦｅ濃度は、先に成長した結晶部分から後に成長した結晶部分になるに従って、次第に高濃度になってしまう。そのため、先に成長する結晶部分の比抵抗が１Ｅ７Ωｃｍ以上になるようにＦｅをドーピングすると、後に成長する結晶部分ではＦｅ濃度が固溶限界を超えて析出してしまい、基板の特性が著しく劣化してしまう。また、基板中のＦｅが、このＩｎＰ基板上に積層されるエピタキシャル層に拡散してしまい、このエピタキシャル層が積層されたＩｎＰ基板により作製されるデバイスの特性が劣化するという問題もあった。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、ドープしたＦｅの析出が抑制されたＩｎＰ基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

ＩｎＰ結晶中においてＦｅは、Ｉｎ原子位置にＩｎ原子が存在しない原子空孔（以下、Ｉｎ空孔）を占有したときに電気的に活性に機能する。発明者らは、鋭意研究の末、封止剤に含まれる水を起源とするＨ原子が、このＩｎ空孔を占有した場合にＦｅの活性化が阻害されることを見出した。このような状況では、高抵抗化に必要な濃度以上のＦｅをドーピングしなければならず、Ｆｅの析出が生じてしまう状況に陥りやすい。

そこで、本発明に係るＩｎＰ基板の製造方法は、ＦｅドープしたＩｎＰ融液を封止剤で封止しつつＩｎＰインゴットを作製して、ＩｎＰ基板を作製するＩｎＰ基板の製造方法であって、封止剤として、含有水分が２００重量ｐｐｍ以下の酸化ホウ素を用いることを特徴とする。

このＩｎＰ基板の製造方法においては、含有水分量を２００重量ｐｐｍ以下にして、Ｉｎ空孔を占有するＨ原子の数を低減している。そのため、ＩｎＰ基板にドープされたＦｅの原子が、Ｉｎ原子に置換されやすくなるため、析出に至らないＦｅ濃度のドーピングで高抵抗化を図ることができる。

また、酸化ホウ素の含有水分が１００重量ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、Ｉｎ空孔を占有するＨ原子の数がより低減されるため、Ｆｅの析出がさらに抑制される。

また、ＩｎＰインゴットをＬＥＣ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｕｓｕｌａｔｅｄ Ｃｚｏｃｈａｒａｌｓｋｉ）法又はＶＣＺ（Ｖａｐｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｚｏｃｈａｒａｌｓｋｉ）法により作製することが好ましい。

また、ＩｎＰインゴットをＶＢ法（縦型ボート法）により作製することが好ましい。ＶＢ法によってＩｎＰインゴットを作製する場合、封止剤の大部分がＩｎＰ融液の上面を覆うことになるが、このＩｎＰ融液の上面は高温となるため、封止剤中の水分は非常に蒸発しやすい状態となる。そのため、Ｉｎ空孔を占有するＨ原子の数が有意に減少するので、ＶＢ法によるＩｎＰインゴットの作製は、Ｆｅ析出の抑制に非常に有効であると考えられる。なお、本明細書中におけるＶＢ法には、垂直ブリッジマン法と垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）とが含まれる。

また、熱分解窒化ホウ素製の容器を用い、この容器にＩｎＰインゴットとなるべきＩｎＰ融液及び封止剤を収容して、ＩｎＰインゴットを作製することが好ましい。熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）は封止剤に溶け込まず、封止剤の含有水分が雰囲気へ蒸発するのを妨げないため、Ｉｎ空孔を占有するＨ原子の数が少なくなると考えられる。従って、Ｆｅの析出が有意に抑制される。一方、容器としては石英を用いることもできるが、石英が封止剤に容易に溶け込み、封止剤の含有水分が雰囲気中へ蒸発するのを妨げる。

また、ＩｎＰインゴットのＦｅ濃度が、ＩｎＰインゴットの肩部において１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であることが好ましい。

本発明に係るＩｎＰ基板は、上記ＩｎＰ基板の製造方法によって作製されたことを特徴とする。

このＩｎＰ基板においては、上記の方法によって、基板中におけるＦｅの析出が抑制されている。従って、ドープしたＦｅが効率よく基板の高抵抗化に寄与するため、Ｆｅドープに対する歩留まりが向上している。

また、波数が２３１６ｃｍ-1のときの吸収ピークを吸光度で示した場合に、この吸光度が０．１未満であることが好ましい。一般に、例えば、フーリエ変換赤外分光法により、波数が２３１６ｃｍ^-1のときのピークは、Ｈ原子４個がＩｎ空孔を占有した構造欠陥に係る吸収ピークであることが知られている。そして、そのピーク強度に対応する液体ヘリウム温度における吸収度が０．１未満である場合には、Ｈ原子がＩｎ空孔を占有せず、Ｆｅ原子がＩｎ空孔を占有しやすい状況にあるＩｎＰ基板であると確認される。

本発明によれば、ドープしたＦｅの析出が抑制されたＩｎＰ基板及びその製造方法が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明に係るＩｎＰ基板及びその製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る基板製造装置の概略断面図である。この製造装置１０は、ＶＢ法に適用される製造装置であり、縦型炉１２は、高圧対応容器になっており、通常Ｎ₂又はＡｒが４０〜５０気圧印加される。

縦型炉１２中には、複数のヒータ１８が設けられている。そのヒータ１８の間には、ｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製のるつぼ２０が収容されており、このるつぼ２０内にはＦｅがドープされたＩｎＰ融液２２が入れられる。

るつぼ２０内のＩｎＰ融液２２下部には種結晶２４が設置されており、この種結晶２４の露出面に整合するようにＩｎＰ単結晶が成長する。また、ＩｎＰ融液２２の液面は、溶融した封止剤２６によって被覆されている。このようにＩｎＰ融液２２の上面を封止剤２６で被覆することで、溶融状態のＩｎＰからＰが蒸散するのを防止することができる。

この封止剤２６には、含有水分量が２００重量ｐｐｍである酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）が用いられている。なお、従来から多用されている封止剤は、含有水分量が２５０〜３００重量ｐｐｍ程度の酸化ホウ素である。すなわち、本実施形態においては、含まれる水分の量が低減された酸化ホウ素が用いられている。

次に、ＦｅがドープされたＩｎＰ基板を、製造装置１０を用いて作製する方法について説明する。

まず、種結晶２４をるつぼ２０底部に設置し、さらにＩｎＰ多結晶体原料、Ｆｅ原料、上述の酸化ホウ素２６をるつぼ２０内に収容する。そして、ヒータ１８でるつぼ２０を加熱してＩｎＰ多結晶原料、Ｆｅ原料及び酸化ホウ素を溶融した。溶融した酸化ホウ素２６は、るつぼ２０とＩｎＰ融液２２との間に厚さ１ｍｍに満たない被膜２６ａとして存在し、その残りがＩｎＰ融液２２の液面を覆う。そして、複数のヒータ１８を制御して、種結晶２４に近いＩｎＰ融液の温度が、種結晶２４から遠いＩｎＰ融液の温度より低くなるような温度勾配の状態を維持しつつ降温することで、ＩｎＰ単結晶インゴットを作製する。最後に、このインゴットをスライスして、ＦｅがドープされたＩｎＰ基板を得る。

上述のように、水分含有量が２００重量ｐｐｍである場合、封止剤に含まれる水のＨ原子が、ＩｎＰのＩｎ空孔を占有しにくい。上述したように、発明者らは、封止剤に含まれる水のＨ原子がＩｎ空孔を占有し、Ｆｅの活性化が阻害されていることを見出し、封止剤に含まれる水分の量をこのように従来に比べて低減させた。それにより、Ｈ原子によってＦｅ原子がＩｎ空孔を占有することを妨害するのを抑制することができ、ＩｎＰ基板にドープされたＦｅの原子が活性化されやすくなる。従って、上述の方法において作製されたＩｎＰ基板は、高抵抗化に必要な濃度だけＦｅをドープすることで、Ｆｅの析出が有意に抑制され、従来より低濃度のＦｅドープによる高抵抗化が実現されている。

すなわち、従来は、ＩｎＰインゴットの肩部のＦｅ濃度を１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上にすることで、１Ｅ７Ωｃｍの抵抗値を有するＩｎＰインゴットを作製していたが、上述した方法を採用することにより、ＩｎＰインゴットの肩部のＦｅ濃度が１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であっても、１Ｅ７Ωｃｍ以上の抵抗値を有するＩｎＰインゴットを作製することができる。なお、本明細書におけるインゴットの肩部とは、インゴット３０の直胴部３０ａのうち、最も種結晶２４に近い部分３０ｂを示し、この肩部３０ｂはインゴット成長の際の比較的初期の段階に形成される部分である（図２参照）。

なお、上述した例では、ＶＢ法によるＩｎＰ基板の製造方法について示したが、封止剤が用いられるＬＥＣ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｕｓｕｌａｔｅｄ Ｃｚｏｃｈａｒａｌｓｋｉ）法及びＶＣＺ（Ｖａｐｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｚｏｃｈａｒａｌｓｋｉ）法によるＩｎＰ基板の製造方法においても、上述と同様の理由により、水分含有量の低減された酸化ホウ素を封止剤として用いることにより、作製されるＩｎＰ基板におけるＦｅの析出が抑制されることは言うまでもない。すなわち、ＶＢ法、ＬＥＣ法及びＶＣＺ法のいずれかの方法により、ＦｅドープしたＩｎＰ融液を封止剤で封止しつつＩｎＰインゴットを作製して、ＩｎＰ基板を作製するＩｎＰ基板の製造方法であって、封止剤として、含有水分が２００重量ｐｐｍ以下の酸化ホウ素を用いるＩｎＰ基板の製造方法によれば、作製されるＩｎＰ基板におけるＦｅの析出が抑制される。

以下、本発明の効果をより一層明らかなものとするため、実施例を示す。

上述したＶＢ法により、６Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のＦｅ濃度を有するＩｎＰ単結晶を作製した。その際に、含有水分量が異なる４種類の酸化ホウ素を封止剤として用意し、それぞれを用いて上記ＩｎＰ基板を４つ作製した。すなわち、含有水分量が５００重量ｐｐｍである封止剤Ａ、含有水分量が３００重量ｐｐｍである封止剤Ｂ、含有水分量が２００重量ｐｐｍである封止剤Ｃ、含有水分量が１００重量ｐｐｍである封止剤Ｄを用いてＩｎＰ基板を作製した。そして、４つの基板それぞれからウェハを切り出して表面研磨し、それらの各ウェハからチップを切り出してファンデルポー（ｖａｎ ｄｅｌ Ｐａｕｗ）法により比抵抗を測定した。この測定結果を以下の表１に示す。

表１から明らかなように、封止剤Ｃ及び封止剤Ｄを用いて作製されたＩｎＰ基板の比抵抗値は、いずれも半絶縁性領域である１Ｅ７（Ωｃｍ）以上であった。すなわち、含有水分量が２００重量ｐｐｍ以下の酸化ホウ素を封止剤として利用することにより、作製されるＩｎＰ基板の比抵抗を半絶縁性領域以上に増加することができる。これは、含有水分量が２００重量ｐｐｍの酸化ホウ素（封止剤Ｃ）及び含有水分量が１００重量ｐｐｍの酸化ホウ素（封止剤Ｄ）を用いた場合においては、基板内においてＦｅが、Ｈ原子に妨害されることなくＩｎ空孔を占有して、活性化しためであると考えられる。すなわち、Ｆｅが効率よく基板の高抵抗化に寄与しており、Ｆｅドープに対する歩留まりが向上している。

なお、含有水分量が２００重量ｐｐｍの酸化ホウ素（封止剤Ｃ）の比抵抗より、含有水分量が１００重量ｐｐｍの酸化ホウ素（封止剤Ｄ）の比抵抗の方が高いことから、封止剤の含有水分量が低い程、比抵抗が高くなることがわかる。そのため、比抵抗の高いＩｎＰ基板を作製したい場合には、なるべく含有水分量の少ない封止剤を用いることがＦｅの析出を回避する上で好ましい。

さらに、上述した４つのウェハそれぞれの、比抵抗測定用チップを切り出した領域の近接領域から、厚さ３８００μｍのブロックを切り出し、それらの両面を鏡面研磨して、赤外分光分析の試料とした。この分析結果を以下の表２に示す。なお、この赤外分光分析は、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）を用い、光源にはＳｉＣを、検出器にはＭＣＴを、ビームスプリッタにはＧｅ／ＫＢｒを用いた。なお、分解能は０．０４ｃｍ^-1、積算回数は１２８回とし、アポダイゼーションは三角形、測定温度は１０Ｋとした。

この表２において、吸光度とは、波数２３１６ｃｍ^-1におけるピーク強度から算出される値である。従来より、波数２３１６ｃｍ^-1におけるピークは、Ｈ原子４個がＩｎ空孔を占有した構造欠陥による吸光ピークであることが広く知られている。すなわち、表２の吸光度が小さい程、その構造欠陥が生じていないこととなり、Ｈ原子がＩｎ空孔を占有していないこととなる。そして、半絶縁性領域以上の比抵抗値を有するＩｎＰ基板の作製に利用可能な封止剤Ｃ及び封止剤Ｄはいずれも、吸光度が０．１未満となっている。このことから、波数２３１６ｃｍ^-1におけるピーク強度から吸光度を算出して、その吸光度が０．１未満である場合には、Ｆｅの析出を起こすことなく、半絶縁性結晶になりやすい結晶であると推測される。

本発明の実施形態に係る製造装置の概略断面図である。 インゴットの肩部を説明するための図である。

符号の説明

１０…製造装置、２０…るつぼ、２２…ＩｎＰ融液、２４…種結晶、２６…封止剤、３０…インゴット、３０ｂ…肩部。

Claims (6)

1. ＦｅドープしたＩｎＰ融液を封止剤で封止しつつＩｎＰインゴットをＶＢ法により作製してＩｎＰ基板を作製するＩｎＰ基板の製造方法であって、
   前記封止剤として、含有水分が２００重量ｐｐｍ以下の酸化ホウ素を用いる、ＩｎＰ基板の製造方法。
2. 前記酸化ホウ素の含有水分が１００重量ｐｐｍ以下である、請求項１に記載のＩｎＰ基板の製造方法。
3. 熱分解窒化ホウ素製の容器を用い、この容器に前記ＩｎＰインゴットとなるべきＩｎＰ融液及び前記封止剤を収容して、前記ＩｎＰインゴットを作製する、請求項１又は２に記載のＩｎＰ基板の製造方法。
4. 前記ＩｎＰインゴットのＦｅ濃度が、前記ＩｎＰインゴットの肩部において１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＩｎＰ基板の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のＩｎＰ基板の製造方法によって作製されたＩｎＰ基板。
6. 波数が２３１６ｃｍ^-1のときの吸収ピークを吸光度で示した場合に、この吸光度が０．１未満であり、かつ１Ｅ７Ωｃｍ以上の比抵抗を有するＩｎＰ基板。

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