JP2008273804A - 半絶縁性ＧａＡｓウエハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 処理後のウエハの不良品発生率を低減することが可能な半絶縁性ＧａＡｓウエハ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 直径Φが４インチ以上の半絶縁性ＧａＡｓウエハであって、ウエハの半径Ｒに対してウエハ中心から（２／３）・Ｒの半径を有する円の部分を中心部とし、前記ウエハ面内の中心部以外の部分である外周部の平均転位密度が、前記中心部の平均転位密度より大きい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半絶縁性ＧａＡｓウエハ及びその製造方法に関する。

半絶縁性ＧａＡｓウエハは、縦型ボート法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）等で製造された母材となるバルク状の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を薄く切り取ることにより得られる。得られた半絶縁性ＧａＡｓウエハは、受発光素子、高速演算素子、マイクロ波素子等の素子基板に専ら用いられている。これらの素子の良品率を上げるには、半絶縁性ＧａＡｓウエハの面内の平均転位密度を低く抑えることが必要である。
従来、縦型ボート法で使用される反応管の材料を規定することにより、面内の平均転位密度を１×１０^４ｃｍ^−２以下に抑えた半絶縁性ＧａＡｓウエハが得られるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３３５１９４号公報

縦型ボート法などの一般的な結晶製造方法で製造した単結晶から得られた半絶縁性ＧａＡｓウエハは、ウエハの外周部よりウエハの中心部の平均転位密度が大きい特性を有している。したがって、上述したように単にウエハ面内の平均転位密度を低く抑えても、上述したような転位密度分布の影響で、ウエハ処理後に不良品となるものがあり、必ずしも良品率が向上しなかった。

そこで本発明の目的は、処理後のウエハの不良品発生率を低減することが可能な半絶縁性ＧａＡｓウエハ及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第一の態様は、直径Φが４インチ以上の半絶縁性ＧａＡｓウエハであって、ウエハの半径Ｒに対してウエハ中心から（２／３）・Ｒの半径を有する円の部分を中心部とし、前記ウエハ面内の中心部以外の部分である外周部の平均転位密度が、前記中心部の平均転位密度より大きいことを特徴とする。

本発明の第二の態様は、第一の態様に記載の発明において、前記外周部の平均転位密度が、前記中心部の１．５倍以上２．０倍以下であることを特徴とする。

本発明の第三の態様は、第一又は第二の態様に記載の発明において、前記中心部の平均転位密度が７０，０００個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする。

本発明の第四の態様は、第一乃至第三のいずれかの態様に記載の発明において、ＧａＡｓ単結晶の成長時の成長方向の温度勾配を２０℃／ｃｍ以上１００℃／ｃｍ以下、成長方向に垂直な面の温度勾配を１０℃／ｃｍ以上３０℃／ｃｍ以下とすることを特徴とする。

本発明によれば、処理後のウエハの不良品発生率を低減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明するが、この実施の形態は例示的に示
されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能である。

半絶縁性ＧａＡｓ単結晶における最も良く用いられている製造方法は、液体封止引き上げ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：以下ＬＥＣ法という）である。そこで、本発明の一実施の形態としてＬＥＣ法について説明する。

図１に、ＬＥＣ法を実施するためのＬＥＣ装置の一般的な概略図を示す。ステンレス製の高圧容器１内に、カーボンヒータ２と、坩堝軸３に支持されたＰＢＮ（Ｐｙｒｏｌｉｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）製坩堝４とを備えている。ＰＢＮ製坩堝４には、原料となるＧａＡｓ多結晶（高温時は融解してＧａＡｓ融液となる）５と、蒸気圧の高いＡｓの蒸発を防止するための液体封止剤である三酸化硼素６がチャージされる。
上記ＧａＡｓ単結晶の結晶成長を行う際には、まずＰＢＮ製坩堝４をカーボンヒータ２で加熱する。すると、原料のＧａＡｓ多結晶は融解してＧａＡｓ融液５となり、三酸化硼素６も液状となってＧａＡｓ融液５の表面を覆い、Ａｓの蒸発を防止する。このとき高圧容器１内は高圧の不活性ガスで充填されている。最後に、シード軸７の先端に取り付けた種結晶８をＧａＡｓ融液５に接触させた後に引き上げることにより、ＧａＡｓ単結晶９が得られる。
実際に単結晶を引き上げる際には、種結晶８の先端とＧａＡｓ融液５の接触面の温度を調整し、徐々に結晶径を太らせながら結晶肩部を形成する。上記結晶肩部を形成し、目標とする結晶外径に到達したら、外径を一定に保つように外径制御を行いながらバルク状の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶９を形成する。
そして、上記バルク状の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶９をスライスすることによって半絶縁性ＧａＡｓウエハを得る。

ところでＬＥＣ法で製造した半絶縁性ＧａＡｓ単結晶は、温度勾配の大きな熱環境下で結晶成長される。また、結晶インゴットの外周部よりも、結晶化開始直後に結晶化した中心部の方が温度勾配の影響を受けやすい。この二つの理由から、結晶インゴットの中心部は、外周部よりも、平均転位密度が大きくなるという傾向がある。

しかも、結晶の中心部に発生した転位は増殖し、集積しやすい。そのため、転位した結晶群と転位していない結晶群の境界である亜粒界・粒界が形成されて多結晶化しやすい。その結果として、品質の高いＧａＡｓ単結晶を得ることができず、結晶の製造歩留まりがなかなか上がらないという問題を抱えている。

また、このようなＧａＡｓ単結晶から得られた半絶縁性ＧａＡｓウエハも単結晶同様、ウエハ外周部よりウエハ中心部の平均転位密度が大きいという特性を有している。この影響により、イオン注入後の活性化アニール処理及び有機金属気相エピタキシャル法（ＭＯＶＰＥ法）によるエピ成長などのウエハ処理後に、ＧａＡｓウエハにスリップ転位の発生や、ウエハ割れ、エピ表面での欠陥の顕在化による結晶欠陥の発生が原因で半絶縁性ＧａＡｓウエハが不良品となってしまうという不具合が発生する。

上述したウエハ処理後の不具合は、ウエハ面内における平均転位密度分布が適正でないことに起因して発生する。そこで、本実施の形態では、ウエハ面内における中央部に対する外周部の平均転位密度の比、及びウエハ中心部の平均転位密度を一定範囲に絞り込むことによって、処理後のウエハに対して面内の平均転位密度分布の影響を低減できるようにした。ここで、平均転位密度はエッチピット密度（ＥＰＤ）で表され、ウエハ面内における中央部に対する外周部の平均転位密度の比（以後、平均転位密度比という）はＥＰＤ（外周部）／ＥＰＤ（中心部）で表される。

ウエハ面内における中央部に対する外周部の平均転位密度の比は、スリップ転位発生率
を５０％以下に抑えるためには、１倍よりも大きいこと、換言すればウエハ面内における中心部の平均転位密度が外周部のそれより小さいことが好ましい（図２）。具体的には、直径Φが４インチ以上の半絶縁性ＧａＡｓウエハであって、ウエハの半径Ｒに対してウエハ中心から（２／３）・Ｒの半径を有する円状の部分を中心部として、前記中心部の平均転位密度が、前記ウエハ面内の中心部以外の部分である外周部の平均転位密度より小さいことが好ましい。

この場合、Φを４インチ以上としたのは、４インチ以上の時に本発明による良品率の良好なウエハが得られるからである。また、ウエハ中心部と外周部との境界を（２／３）・Ｒとしたのは、経験則から、（２／３）・Ｒを境に平均転位密度分布が変化する傾向があることがわかっているからである。
上記平均転位密度の比が１倍よりも大きいと、スリップ転位発生率が５０％未満に抑えられるので、スリップ転位発生率が５０％以上となった場合に比べて、処理後のウエハの不良品発生率を低減することができる。

また、平均転位密度比は、１．５倍以上２．０倍以下の範囲に絞り込むことがより好ましい（図２）。平均転位密度比が１．５倍以上であればウエハのスリップ転位発生を０％近くに抑えることができ、比が２．０倍以下であればウエハ割れの発生を激減することができる。

また、ウエハ中心部の平均転位密度は、７０，０００個／ｃｍ^２以下に絞り込むことが好ましい（図３）。ウエハ中心部の平均転位密度が７０，０００個／ｃｍ^２以下であれば、亜粒界・粒界発生が大幅に低減して、ウエハの結晶欠陥発生率を１０％以下に抑えることができる。

このように、ウエハ面内の平均転位密度分布及びウエハ中心部の平均転位密度を一定範囲に絞り込んだので、ウエハ面内の平均転位密度分布の影響を低減でき、イオン注入後の活性化アニール処理、及びＭＯＶＰＥ法によるエピ成長などのウエハ処理後に、ＧａＡｓウエハにスリップ転位の発生や、ウエハ割れ、エピ表面での欠陥の顕在化などが原因で不良品となってしまうという不具合を解消することができる。

ところで、上記のような平均転位密度をもつ半絶縁性ＧａＡｓウエハを得るには、ウエハが結晶成長時の平均転位密度を引き継ぐことから、半絶縁性ＧａＡｓウエハの母材となる半絶縁性ＧａＡｓ単結晶も、上記のような平均転位密度をもつ必要がある。このため、ＬＥＣ法による結晶成長時に、上記のような平均転位密度をもつ半絶縁性ＧａＡｓ単結晶が育成されるよう、カーボンヒータ２（図１参照）による温度勾配を制御する必要がある。

ウエハ中心部の平均転位密度を７０，０００個／ｃｍ^２以下とするためには、半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の成長時の成長方向の温度勾配を２０℃／ｃｍ以上１００℃／ｃｍ以下にすることが好ましい（図５）。また、平均転位密度比を１．５倍〜２．０倍とするためには、成長方向に垂直な面の温度勾配を１０℃／ｃｍ以上３０℃／ｃｍ以下とすることが好ましい（図３）。
このように結晶成長時の温度勾配を制御することにより、半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の亜粒界・粒界発生を防止できるので多結晶化を抑制でき、またウエハ処理後に生じるスリップ転位の発生も防止できるので半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の製造歩留まりを上げることができる。

なお、この一実施形態ではＬＥＣ法を用いて半絶縁性ＧａＡｓウエハを製造しているが、縦型ボート法（ＶＢ法、ＶＧＦ法）等により上記ウエハを製造してもかまわない。また
、ウエハの形状は円形状以外の任意の形状であってもかまわない。

本実施例においては、図１のＬＥＣ装置を用いた。ＰＢＮ製坩堝４にＧａＡｓ多結晶５を２５，０００ｇ、液体封止剤として三酸化硼素６を２，０００ｇ入れ、ステンレス製の高圧容器１に収納し、この高圧容器１内の圧力が９．０ｋｇ／ｃｍ^２になるようにアルゴンガスを充填した。充填後、カーボンヒータ２により加熱することで、三酸化硼素６、ＧａＡｓ多結晶５を融解させ、シード軸７の先端に取り付けた種結晶８の先端とＧａＡｓ融液５の接触面の温度を調整し、徐々に結晶径を太らせながら、結晶肩部を形成した。結晶肩部を形成後、目標とする結晶外径４インチに到達したら、外径を一定に保つように外径制御を行いつつ、ＧａＡｓ単結晶９の製造を行った。
上記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・研磨し、半絶縁性ＧａＡｓウエハを取得した。

次に、半絶縁性ＧａＡｓウエハの平均転位密度比と、スリップ発生率との関係を調べるために、平均転位密度比が１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．５、２．８、３．０の１６種類の半絶縁性ＧａＡｓウエハを各種類毎に１０枚ずつ作製した。
その結果を、図２に示した。図２より、平均転位密度比が１．５以上２．０以下にある試料はいずれもウエハ処理後にスリップ転位もウエハ割れも発生しなかった。

次に、ウエハ中心部の平均転位密度と、亜粒界・粒界の発生による結晶欠陥発生率との関係を調べるために、ウエハ中心部の平均転位密度が、０、１×１０^４、２×１０^４、３×１０^４、４×１０^４、５×１０^４、６×１０^４、７×１０^４、８×１０^４、９×１０^４、１０×１０^４個／ｃｍ^２の１１種類の半絶縁性ＧａＡｓウエハを各種類毎に２０枚ずつ作製した。
その結果を、図３に示した。図３より、上記平均転位密度が７０，０００個／ｃｍ^２以下にある試料の結晶欠陥発生率は１０％以下に抑えられた。

ところで、結晶中に発生する転位は、結晶成長時に受ける熱応力が影響している。結晶は、ある温度勾配の条件下で、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、結晶成長方向の温度勾配と上記平均転位密度との関係を調べた。その結果を図５に示した。図５より、温度勾配を２０℃／ｃｍ以上１００℃／ｃｍ以下の条件で、平均転位密度が７０，０００個／ｃｍ^２以下という条件を満たすことがわかった。

ＧａＡｓ単結晶の成長方向に垂直な面の転位密度分布は、ＧａＡｓ単結晶の熱伝導性から、結晶外周部と中心部で温度差が生じ、転位密度の面内分布差が生じると考えられている。そこで、結晶成長方向に垂直な面の温度勾配と、ウエハ外周部とウエハ中心部の平均転位密度の比との関係を調べた。その結果を図４に示した。図４より、温度勾配を１０℃／ｃｍ以上３０℃／ｃｍ以下の条件で、前記外周部の平均転位密度が、前記中心部の１．５倍以上２．０倍以下という条件を満たすことがわかった。

以下の結果から、ウエハの半径をＲとしたときに、ウエハ外周部の平均転位密度が、中心部の１．５倍以上２．０倍以下であれば、スリップ転位の発生を防止でき、中心部の平均転位密度が７０，０００個／ｃｍ^２以下であれば、結晶の亜粒界・粒界の発生を抑えられることがわかった。

ＬＥＣ法の概略を示した断面模式図である。 実施例における平均転位密度比とスリップ発生率との関係を示した図である。 実施例における半絶縁性ＧａＡｓウエハ中心部の平均転位密度と結晶欠陥発生率との関係を示した図である。 実施例における結晶成長方向に垂直な面の温度勾配と平均転位密度比との関係を示した図である。 実施例における結晶成長方向の温度勾配と平均転位密度比との関係を示した図である。

符号の説明

１ 高圧容器
２ カーボンヒータ
３ 坩堝軸
４ 坩堝
５ ＧａＡｓ多結晶（ＧａＡｓ融液）
６ 三酸化硼素
７ シード軸
８ 種結晶
９ ＧａＡｓ単結晶

Claims (4)

1. 直径Φが４インチ以上の半絶縁性ＧａＡｓウエハであって、ウエハの半径Ｒに対してウエハ中心から（２／３）・Ｒの半径を有する円の部分を中心部とし、前記ウエハ面内の中心部以外の部分である外周部の平均転位密度が、前記中心部の平均転位密度より大きいことを特徴とする半絶縁性ＧａＡｓウエハ。
2. 前記外周部の平均転位密度が、前記中心部の平均転位密度の１．５倍以上２．０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の半絶縁性ＧａＡｓウエハ。
3. 前記中心部の平均転位密度が７０，０００個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半絶縁性ＧａＡｓウエハ。
4. ＧａＡｓ単結晶の成長時の成長方向の温度勾配を２０℃／ｃｍ以上１００℃／ｃｍ以下、成長方向に垂直な面の温度勾配を１０℃／ｃｍ以上３０℃／ｃｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半絶縁性ＧａＡｓウエハの製造方法。
   

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