JP2014212326A - Ｉアニールｉｉｉ−ｖ族半導体単結晶ウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】電気的かつ物理的な特性の良好な均質性、および改良された表面品質を有するウェーハを提供する。
【解決手段】直径１００ｍｍ以上で転位密度が１ｘ１０^４ｃｍ^−２以下のＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハであって、ウェーハの破壊確率が６３．２％（ワイブル分布）となる破壊強度特性が、結晶アニールされた材料から得られるＳＩ ＧａＡｓウェーハと比較して、少なくとも２５％高いことを特徴とする。または、直径１００ｍｍ以上で転位密度が１ｘ１０^４ｃｍ^−２以下のＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハであって、ウェーハの破壊確率が６３．２％（ワイブル分布）となる破壊強度特性が、１９００ＭＰａよりも高いことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、アニールウェーハまたは基板に関する。本発明は特に、ＧａＡｓ半導体材料、とりわけ半単離（ｓｅｍｉ−ｉｓｏｌａｔｉｎｇ：ＳＩ）ＧａＡｓウェーハ、およびＶＧＦ法とＶＢ法に従って生成されたＧａＡｓウェーハに基づく上述のウェーハに関する。電気的、電子的および他の物理的特性を調整できる、そのようにアニールされるウェーハは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体に基づく有効な微小電子デバイスの製造に特に適している。

融液からの結晶成長プロセスにおいて、固化させた材料は、その位置とは無関係に、熱
履歴を有する。すなわち、平衡または補正プロセス（たとえば、残留応力の緩和、均質化
など）が可能な一定の温度範囲における有効な維持時間が、種々の結晶部分について変わ
る。したがって、成長装置内、または好ましくは別個の加熱炉内で、結晶成長プロセスの
終了後に、単結晶に補正熱処理を行うことは、一般的な手法である。ＧａＡｓ単結晶のア
ニーリングは、ドーピングされていない半絶縁性ＬＥＣ−ＧａＡｓ単結晶の歪緩和と電気
的特性の均質化のために、RUMSBY et al.(D.Rumsby、R.M.Wafer、B.Smith、M.Tyjberg、M
.R.Brozel、E.J.Foulkes:Tch.Dig.GaAs IC Symp.、New York、IEEE、1983、34)により先
ず適用された。それ以来、結晶アニーリングプロセスは、特に適用とオペレータ面に関し
て体系的に最適化されてきた。均質化のほかに、そのプロセスは、欠陥部位の調整にも役
立つ。ＧａＡｓの結晶アニーリングについての概要は、とりわけ、ODA et al.(O.Oda、H.
Yamamoto、K.Kainosho、T.Imaizumi、H.Okazaki:Recentdevelopments of bulk ＩＩＩ−
Ｖ materials:annealinganddefect control、Inst.Phys.Conf.Ser.No 135、pp 285-293
、1993)により示される。

それぞれの熱処理についての基本的な物理学的機構は、フェルミ準位および転位のよう
な予想される要因を考慮した固有欠陥部位と不純物の拡散であり、それは拡散性（「パイ
プ拡散」）を増加し、またそれと、点欠陥が反応することがある（偏析）。たとえＧａＡ
ｓの融点に近くても、固有で多くの外因性拡散係数が小さいので、それにより影響される
補正プロセスは、メゾスコピックで一次元的な寸法（Ｏ（１００μｍ））へ限定される。
特に、結晶成長中にドーパントと不純物の巨視的偏析により形成されている軸方向と半径
方向の濃度不均質性の均質化は、結晶アニーリングによっては、実施不能である。

具体的には、ＧａＡｓは、少なくとも砒素分の多い側に難溶解性である理論組成物が含
まれる均質性領域を有する（H. Wenzl, W.A. Oates, K. Mika: Defect thermodynamics a
nd phase diagrams in compound crystal growth processes, in: D.T. J. Hurle(ed.):
Handbook of Crystal Growth, vol 1A, North-Holland, Amsterdam, 1993）。難溶解性の
影響は、冷却工程中に固相線を越えるときにＡｓ沈着物が形成され、ＧａＡｓの固有欠陥
平衡（「構造的点欠陥」）における変化に関連がある。それは、それぞれの均質および不
均質な種形成により、異なったサイズ分布を有するマトリックス析出物とデコレーション
析出物との間で区別される。デコレーション析出物（ＤＰ）のサイズ分布は、材料の転位
密度にさらに左右される。転位密度が低いほど、析出物の平均サイズは大きくなる。すな
わち、ＶＧＦ／ＶＢ−ＧａＡｓ、特にＳＩ特性を有するものは、ＬＥＣ−ＧａＡｓに比べ
て高いＤＰを有する。他方で、ＬＥＣ−ＧａＡｓは、小さいＤＰを有するが、ほぼ１×１
０^４ｃｍ^−２を超える相対的に高い転位密度を有する。均質領域において保持ステップに
より沈着物を溶解し、規定された冷却プロセスの手段により過剰の砒素を再析出すること
は、沈着した砒素の分布と量を考慮しながら、結晶アニーリングの手法により、欠陥平衡
だけではなく砒素沈着も制御できることを表している。しかしながら、一定の転位密度に
するもしくは破壊を避けるために、熱歪を一定限度未満にするならば、大きい寸法の単結
晶に対する熱処理は、ＧａＡｓの物理熱的特性に鑑みて、実現可能な加熱速度および冷却
速度に厳しい制限が生ずることになる。

ウェーハの機械化学的研磨中、Ａｓ沈着物により、表面にピット状欠陥がエッチングさ
れる。その欠陥は、所謂ＣＯＰｓ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉ
ｃｌｅｓ）として光散乱法により検出可能であり、かつサイズに応じて分類され、またそ
れは、用途と使用者の仕様に合っていなければならない。ＣＯＰｓのサイズ分布は、とり
わけ、それぞれの研磨工程に左右されるが、基本的には、Ａｓ沈着物のサイズ分布に比例
する。すなわち、平均的に、ＣＯＰｓは、ＶＧＦ／ＶＢ−ＧａＡｓにおいて、ＬＥＣ材料
におけるよりも大きい。ＣＯＰｓは、エピタキシアル成長を阻害し、かつデバイス素子の
製造において積層に許容できない「粗さ」を生じさせることがある。さらに、Ａｓ沈着物
が、イオン注入により生成されるＦＥＴｓの回路挙動に影響することが知られている（Ｕ
Ｓ ５，２１９，６３２）。

結晶全体（インゴット）のアニーリングを実施する一般的手法に加えて、単一のウェー
ハの熱処理、所謂ウェーハアニーリングが知られている。それでは、ＧａＡｓ（および他
のＩＩＩ−Ｖ族化合物）の場合、結晶アニーリングとは異なり、同じ蒸発温度以上では、
砒素（すなわちＶ族化合物）が、ガリウム（すなわちＩＩＩ化合物）よりも高い蒸発圧を
有するという事実が利用されている。これにより、少なくとも原理的には、外部から加え
ることができるＡｓ分圧の手段により（たとえば、固体砒素を蒸発させることにより、ま
たは他の手段により）、ウェーハの表面近くの領域においてＧａＡｓの組成の調整を試み
ることができる（O. Oda, H. Yamamoto, K. Kainosho, T. Imaizumi, H. Okazaki: Recen
t developments of ＩＩＩ−Ｖ materials: annealing and defect control, Inst. Phys
. Conf. Ser. No 135, pp 285-293, 1993を参照）。

ウェーハアニーリングの他の既知の変形は、イオン注入後の熱処理である。それは、注
入されたドーパントを活性化するのに役立ち、そこにおいて、選択的なＡｓ蒸発が、活性
化温度に対応するＡｓ分圧により、もしくはＳｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮの拡散遮断部または他の
被覆層により、抑制される。

１ステップウェーハアニーリング工程（ＵＳ５，２１９，６３２）から開始して、２ス
テップ工程（ＪＰ０１−１５３４８１Ａ、ＵＳ５，０４７，３７０）および最後に３ステ
ップ工程（ＪＰ０４−２１５４３９Ａ、ＵＳ５，１３７，８４７）が、ウェーハアニーリ
ングにおいて、メゾスコピック均質性をさらに改良するために案出された。

これらの案出は、石英アンプルにてＴ＞１１００℃かつｔ＞３０ｍｉｎとする第１の（
ＵＳ５，２１９，６３２においては唯一の）アニーリングステップにおいて、ＳＩ ＬＥ
Ｃ ＧａＡｓにおける典型的な５×１０^５ｃｍ^−２の所謂微小欠陥の密度を、選択的Ａｓ
蒸発を避けるために、さらに規定されないＡｓ分圧の下で１〜３０ Ｋ／ｍｉｎにて室温
まで引続き冷却して、５×１０^３ｃｍ^−３以下まで減少させる。微小欠陥の場合、既知の
ＡＢエッチングにより検出できる不純物の沈着物またはＡｓ沈着物は、ウェーハ表面上の
楕円形のエッチピットを意味する。好ましくは、ラップ仕上げまたは純度エッチングされ
たウェーハは、任意選択的には成長するままの状態で、使用される。アニールされたウェ
ーハの両面エッチング後に、７５０℃〜１１００℃（好ましくは９００℃〜１０００℃）
での第２のアニーリングが、少なくとも２０分実施される。再び、それは石英アンプル内
でアニールされるが、ここでは、特に規定されていない圧力、例えば、Ｎ_２、Ｈ_２、Ａｒ
またはＡｓＨ_３のような非酸化性雰囲気下において実施される。すなわち、Ａｓポテンシ
ャル無しでその結果から得られる最適条件の下での従来にない手法、または代わりに、表
面の劣化を抑制するためにＡｓ分圧を使用する従来の手法でアニーリングが実施される。
したがって、プロセスガスに関する指標には相反するものがある。しかしながら、この操
作方法では、ウェーハがエッチングされる限り、アニーリング後の予備的もしくは最終的
な研磨が予定されているので、表面に近い領域において予想される組成変化は重要ではな
い。

ＪＰ０８−２５５７９９Ａ、ＪＰ０８−２５９３９６ＡおよびＪＰ０９−１９４３００
Ａでは、８００℃〜１０００℃のＴ範囲における第２のアニーリングが、Ａｓ分圧の下で
実施され、その分圧は、対応する温度において化学量論的ＧａＡｓを超える圧力の少なく
とも１．４〜２倍である。それにより、化学量論的不平衡、およびそれに付随するＥＬ２
濃度は、表面に近い領域において増加する。それらの公報には、この熱処理中のＡｓ沈着
物の挙動については記載されていない。

ＵＳ５，１３７，８４７またはＪＰ０４−２１５４３９Ａに記載される３ステップウェ
ーハアニーリングにおいて、別のアニーリングが、Ａｓ分圧の下で５２０〜７３０℃で実
施される。この文献において、３ステップアニーリングは、均質化および微小欠陥の減少
に関して最適であるとして示されている。

第１のアニーリングステップ後に要求される高い冷却速度は、不利な点であるとともに
許容されないものである。なぜなら、高い確率で、高すぎる熱歪が生じ、転位の増大をも
たらす（スリップライン形成）からである。これは、加熱と冷却の速度を２００Ｋ／ｈ以
下または１００Ｋ／ｈ以下に限定する特開２００２−２７４９９９号に合致し、両方の加
熱と冷却の温度が温度Ｔに応じて変化する一定の温度体系に関するＪＰ２００１−１３５
５９０Ａにも一致する。しかしながら、転位の増大を避けるための加熱と冷却の臨界速度
が、ＬＥＣ−ＧａＡｓとＶＧＦ−ＧａＡｓとでは、それぞれ異なることが記載されていな
い。さらに、材料と労働の量は、アニーリングステップ数と共に大幅に増加する。

ＪＰ０９−１９９５０８Ａにおいて、アニールされるＧａＡｓウェーハを互いに重ねる
こと、規定された圧力の下で弾性エレメントを経て互いにウェーハを押付けること、およ
び８００〜１０００℃の温度範囲において、容器内で非酸化性雰囲気（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈ_２
、ＡｓＨ_２）の下、ウェーハをアニールすることが開示されている。

ＪＰ０５−０８２５７Ａは、垂直配置のウェーハをアニールする装置を開示する。その
装置は、対応するウェーハを受容するために規定された間隙で切欠きを有する３個の方位
的に変位されるサポートロッドから構成される。サポートロッドは、円錐フランジへ固定
される。それらのロッドは、中空状に形成され、１個以上の熱エレメントを受容でき、ま
た冷却ガスの供給を受けることができる。この装置は、対応する円錐切欠きを有する垂直
に配置された石英アンプル中に挿入される。そのアンプルは、金属砒素を受容するために
、その下部末端において伸張部分を有する。その伸張部分は、別個の加熱器中に突出し、
その温度は、アンプル内のＡｓ分圧を制御し、それにより、ウェーハの劣化を避ける。ウ
ェーハは、幾つかの別個の加熱器を有する炉により加熱され、その加熱器は、ウェーハの
挿入長さ全体を通して一定の温度を維持できるように、内部熱エレメント手段により制御
される。アンプルを減圧排気できる。中に挿入されたウェーハを有するアンプルは、円錐
切欠きを通して閉止できるか、または同様に溶融体で封止できる。

それぞれの床面に１個のウェーハの代わりに、２枚の裏側が接触したＧａＡｓウェーハ
も、ＪＰ２０００−２９４５６１に従って挿入できる。

ＪＰ０６−３０２５３２Ａ、同様に、ＪＰ１０−２８７５００ＡおよびＪＰ１０−２８
９８８３Ａによれば、ウェーハは、ｐＢＮ、黒鉛、シリコン、タングステン、モリブデン
のような耐熱材料から成るサポート上に載置され、これらのサポートは垂直または水平に
積重ねられて、アニーリングアンプル中に挿入される。サポート上のウェーハの水平保管
において、ウェーハサポート間の穴あけは、プロセスガスとの好適な交換に役立つ（ＪＰ
１０−３２１５４０Ａ参照）。

ＥＰ０ ３ ９９ ６６２ Ａは、Ａ_３Ｂ_５（ＩＩＩ−Ｖ族）型およびＡ_２Ｂ_６（ＩＩ
−ＶＩ族）型の半導体をアニールするプロセスを記載し、そこにおいて、表面がガラス封
入薄膜により封入されている半導体は、イオン注入により生じた欠陥をアニールするため
に、急速な熱アニーリング（ＲＴＡ）を受ける。処理装置において、カバー１２が、スペ
ーサリング１１を通して約５００μｍの厚さを有するウェーハ１上に設けられ、そのリン
グは、典型的に６００〜９００μｍの高さを有するので、ウェーハが膨張でき、かつウェ
ーハへの均質な熱伝達を可能とする、少なくとも１００μｍの自由空間が形成される。封
入薄膜は、ウェーハの半導体材料と自由空間との間の接触が不可能なように、ウェーハ表
面上に遮断部を意図的に形成する。

ＵＳ ５，２１９，６３２ ＪＰ ０１−１５３４８１ Ａ （ＵＳ ５，０４７，３７０） ＪＰ ０４−２１５４３９ Ａ （ＵＳ ５，１３７，８４７） ＪＰ ０８−２５５７９９ Ａ ＪＰ ０８−２５９３９６ Ａ ＪＰ ０９−１９４３００ Ａ 特開２００２−２７４９９９号公報 ＪＰ ２００１−１３５５９０ Ａ ＪＰ ０９−１９９５０８ Ａ ＪＰ ０５−０８２５２７ Ａ ＪＰ ２０００−２９４５６１ ＪＰ ０６−３０２５３２ Ａ ＪＰ １０−２８７５００ Ａ ＪＰ １０−２８９８８３ Ａ ＪＰ １０−３２１５４０ Ａ ＥＰ ０ ３９９ ６６２ Ａ

D. Rumsby, R.M. Wafer, B. Smith, M. Tyjberg, M.R. Brozel, E.J. Foulkes: Tech. Dig. GaAsIC Symp., New York, IEEE, 1983, 34 O. Oda, H. Yamamoto, K. Kainosho, T. Imaizumi, H. Okazaki: Recent developments of bulk III-V materials: annealing and defect control, Inst. Phys. Conf. Ser. No 135, pp 285-293, 1993 H. Wenzl, W.A. Oates, K. Mika: Defect thermodynamics and phase diagrams in compound crystal growth processes, in: D.T. J. Hurle (ed.): Handbook of Crystal Growth, vol 1A, North-Holland, Amsterdam, 1993 DIN 51110/part 3 EN843-5(draft) W. Timischl: Qualitatssicherung, Carl HanserVerlag Munchen Wien, 1996, ISBN 3-446-18591-1 Th. Bunger, D. Behr, St. Eichler, T. Flade, W. Fliegel, M. Jurisch, A. Kleinwechter, U. Kretzer, Th. Steinegger, B. Weinertin Mat. Sci. Technol. B80 (2001), 5 M. Naumann, J. Donecker, M. Neubert: Laser scattering experiments in VCz GaAs, J. Cryst. Growth 210 (2000) 203 P. Silverberg, P. Omeling, L. Samuelson: Appl. Phys. Lett. 52(1988)1689 R. Stibal, J. Windscheif, W. Jantz: Contactless evaluation of semi-insulating GaAswafer resistivity using the time dependent charge measurement, Semicond. Sci. Technol. 6 (1991)995-1001 M. Wickert: "Physikalische Mechanismender Homogenisierung elektrischer Eigenschaften von GaAs-Substraten" ("Physical Mechanisms of the Homogenization of Electric Properties of GaAsSubstrates"), Dissertation, Albert-Ludwigs-Universitat Freiburg im Breisgau, 1998) M. Schaper, M. Jurisch, H.-J. Klaus, H. Balke, F. Bergner, R. Hammer, M. Winkler: Fracture Strength of GaAsWafers, in B. Michel, T. Winkler, M. Werner, H. Fecht(Eds.): Proceedings 3rd Internat. Conf. MicroMat2000, April 17-19, 2000, Berlin F. Duderstadt: "Anwendung der von Karman'schenPlattentheorie und der Hertz'schen Pressungfur die Spannungsanalysezur Biegungvon GaAs-Wafern im modifizierten Doppelringtest" ("application of the Karman plate theory and the Hertz pressing for the tension analysis for the bending of GaAswafers in the modified double ring test"), PhD thesis, TU Berlin, 2003

本発明の課題は、電気的かつ物理的な特性の良好な均質性、および改良された表面品質を有するウェーハを提供することである。

この課題は、本発明において、請求項１または２に係るＧａＡｓ単結晶ウェーハにより、解決される。好ましい実施態様が、従属請求項に記載される。

本発明に係るＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハは、直径１００ｍｍ以上で転位密度が１ｘ１０^４ｃｍ^−２以下のＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハであって、ウェーハの破壊確率が６３．２％（ワイブル分布）となる破壊強度特性が、結晶アニールされた材料から得られるＳＩ ＧａＡｓウェーハと比較して、少なくとも２５％高いことを特徴とする。

本発明に係るＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハは、直径１００ｍｍ以上で転位密度が１ｘ１０^４ｃｍ^−２以下のＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハであって、ウェーハの破壊確率が６３．２％（ワイブル分布）となる破壊強度特性が、１９００ＭＰａよりも高いことを特徴とする。

本発明に係るＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハは、上記のＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハにおいて、炭素および硼素以外の全不純物の濃度が５ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下、｜Δ[ＥＬ２^０]／[ＥＬ２^０]｜が７．５％以下およびσ_{ｍｅｓｏｓ}が６％以下、Ｉｐｄ（０．３〜２．０μｍ）が０．３ｃｍ^−２未満であるという特徴を少なくとも１つ有することを特徴とする。

本発明およびその利点と好ましい実施態様を、下記にさらに詳細に説明するが、本発明
は、それに限定されない。

少なくともアニールされる表面にＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含むウェーハを、温度を上
昇させて熱処理（アニーリング）する装置では、１個のウェーハサポートユニットを備え
、そのユニットは、アニールされるウェーハをそのサポート上に載置したとき、ウェーハ
表面上に、離間することなくまたは最大２ｍｍ離間してカバーが設けられるような寸法で
、形成されている。

アニールされるウェーハの全面に広がる被覆材によってカバーが形成される場合に、本
発明により特に優れた効果が得られる。

ウェーハサポートユニットは、サポートユニット毎に単一ウェーハの圧力を受けないサ
ポート、たとえば、その静荷重だけを受けるサポートにすることができる。

ウェーハサポートの底面および／またはカバー、好ましくは底面とカバーの両方が、た
とえば、全体または部分的に、特にウェーハに面する表面部位においてだけ、多孔質、特
に微多孔質構造によって、ガス透過性を有するのがよい。サポートの底面および／または
カバーのガス透過性材料は、高い熱伝導率および高い平面度を有することが好ましい。適
切なガス透過性材料としては、たとえば、妥当な多孔度を有する黒鉛、Ａｌ_２Ｏ_３のよう
なセラミック、あるいはサーメットである。多孔度は、使用される材料および所望の条件
（ウェーハ材料、アニーリング温度、サポートの底面からカバーまでの距離など）に応じ
、当業者に知られている方法で調整でき、その際、好ましくはウェーハサポートの底面お
よび／またはカバーは、少なくともウェーハ表面に面する表面に開孔を有する必要がある
。ウェーハサポートの底面および／またはカバーのための多孔質材料の多孔度は、２０体
積％以下、好ましくは１５体積％以下、より好ましくは１０体積％以下が適切である。ウ
ェーハサポートの底面および／またはカバーの一部分だけを多孔質またはガス透過性にす
ることもでき、その部分は、挿入されたウェーハを取囲む一方、残りの部分は、サファイ
ア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＯ_２結合ＺｒＯ_２またはＳｉＣのような高い熱伝導率を有する気
密材料により被覆される。ウェーハサポートの下面とカバーを形成し、拡散遮断部の領域
（以下で詳細に説明する）すなわち積重ねられたカセットが互いに接触する周囲を除いて
気密になっているＳｉＣ被覆黒鉛カセットでも、良好な効果が得られる。ウェーハサポー
トの下面および／またはカバー用の材料は、黒鉛を圧縮して製造されたものが好ましく、
高純度黒鉛粒子から構成されるのがより好ましい。なぜなら、高純度黒鉛粒子により特に
高い熱伝導率と高い平面度を達成できるからである。しかしながら、多孔質が残るまで強
く圧縮できる他の超純粋材料または材料の混合物も好ましい。カバーは、サポート下面と
同一のガス透過性多孔質材料から製造されているのが好ましい。これは、たとえば、以下
で詳細に説明するカセットの実施態様により実現できる。

また、限定した距離を設けること、および／または細穴構造を設けることにより、微小
容積部が形成される。アニールされる表面を備えるＩＩＩ−Ｖ族半導体は、他の材料によ
り封止または被覆されない。むしろ、この表面は、カバーまでの限定距離および／または
カバー材料の多孔質性のために、上述の微小容積部に接触することになる。これにより、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料とＩＩＩ−Ｖ族半導体に含まれる表面上方に形成される微小容積
部との間で、物質交換を生じさせることができる。特に、好都合には、たとえば、Ａｓま
たはＰのようなＶ族化合物の移動および／または交換を生じさせることが可能である。そ
の一方、Ｇａ粒子の形成による表面劣化を確実に排除でき、また、改善された使用特性を
有するウェーハを、それにより特に効率的な方法で調製できる。ＣＯＰｓを減少すること
により、改善された表面品質を達成できると共に、アニールされたウェーハの特有の破壊
強度を大幅に向上できる。アニールされたウェーハの表面領域における特に良好な均質化
は、微小容積部により生じるものと考えられる。ウェーハサポートユニットが、支持され
るウェーハ表面とその上端に載置されるカバーまたは被覆材との間の距離が約０．０５〜
０．７５ｍｍ、さらに好ましくは約０．２〜０．５ｍｍ、特に約０．３〜０．４ｍｍとな
って微小容積部が形成されるような寸法で構成されるならば、その効果が顕著である。た
とえば、本発明はそれに限定するものではないが、約０．５〜１ｍｍの典型的なウェーハ
厚さの場合、サポートの底面と対応するウェーハサポートユニットのカバーとの間の距離
は、少なくとも約０．５ｍｍ（すなわち、０．５ｍｍ厚さのウェーハを使用したときにウ
ェーハ上に隙間なくカバーが置かれる）であり、最大で約３ｍｍ（すなわち、１ｍｍ厚さ
のウェーハを使用したときにウェーハからカバーまでの最大距離２ｍｍを加えた）まで変
化する。ウェーハサポートユニットは、容積部の径が、たとえば、処理されるウェーハの
径の最大１１０％、好ましくは最大１０５％、さらに好ましくは最大１０１％のように、
処理されるウェーハの径よりも大きく、特に僅かだけ大きくなるような寸法で構成される
のがさらに好ましい。

本発明の特定の実施態様において、ウェーハサポートユニットに、ウェーハ表面に対す
る妨害されない自由なガスの出入りが減少し好ましくは不可能になる限定されたウェーハ
受容空間を形成することができる。一方、サポートユニットによるウェーハの気密封止は
、望ましくない。したがって、微小容積部内の大気とウェーハサポートユニット外の大気
との間に、一定のガス交換速度があるのが好ましいが、そのガス交換速度は、制限のない
ガス交換と比較して、かなり低下する。その技術的実現について、適切な拡散遮断部を参
照して以下に詳細に説明する。

ウェーハサポートユニットは好ましくは、ウェーハの下面全体の支持が、連続的かつ水
平で平坦になされるように設計する。支持をできるだけ均一にするために、サポート底部
には穴あけが設けられていない。ウェーハの支持が、水平でも連続して均一でもない場合
、特に個別の箇所で支持されている場合、アニールされた材料内の重力荷重が降伏応力（
温度に左右される）を超えて、転位および受入れできないスリットラインが形成されるた
め、アニーリング処理中にウェーハの静荷重の影響により歪みが生じると思われるが、本
発明により、このような歪みを避けることができる。ＧａＡｓでは、比較的密度が高いた
め、この影響が特に著しい。

別の利点は、加熱中と冷却中、および温度保持中において、均質な（半径方向の）温度
分布となることである。その結果、ウェーハにおいて熱による歪の発生を回避でき、さら
には、ウェーハの形状の全体的な変化（アニーリング前の状態と比較して、たとえば、「
そり」の劣化）、およびウェーハとプロセスガスとの間の相互作用の局所的変化を回避で
きる。加熱と冷却の速度は、有利な温度可変方法で制御すればよい。

本発明によれば、プロセスガスとウェーハ表面との間の相互作用を均一にでき、全体的
な形状品質およびウェーハの物理化学的表面状態から無関係にさせることができる。

好ましくはウェーハサポートユニット毎に単一のウェーハだけを支持することにより、
ウェーハ相互の共焼結を避けることができる。ここでは、ウェーハは他のウェーハにより
覆われない。

本発明に係る装置は、複数のウェーハサポートユニットを備えることが特に好ましく、
そこにおいては、ウェーハサポートユニットが、第１（ｎ番目の）ウェーハ用の支持底部
を含み、第２（（ｎ＋１）番目の）ウェーハを置くためにその上に積み重ねられるウェー
ハサポートユニットが、第１（ｎ番目の）ウェーハの空間のための高さを制限する完全な
カバーを形成するように、それらのユニットをカセット形態で積重ねることができる。

ウェーハサポートユニットは、その単一の形態、またはその複数の積重ねられたカセッ
ト形態において、適切な外周部を含み、その外周部は、処理されるウェーハの円形縁部の
周りに形成され、その外側で微小容積部を閉止する。外周部は好ましくは、外部と微小容
積部との間における制御されたまたは限定されたガス交換を可能とするために、ガス拡散
遮断部を含む。これは、適切な構造形態、および／または隣接するウェーハサポートユニ
ットの接触領域、特にそれらの間の接触面における材料選択により、好適に具体化される
。適切な手段は、たとえば、隣接するウェーハサポートユニット間において、上端に載置
されるウェーハサポートユニットの底部の内周が、下方に載置されるウェーハサポートユ
ニットの外周内で係合される場合、および／または表面粗さや他の拡散を抑制する形状構
造が設けられる場合に、ガス交換を気密的に排除しないカバー／サポート構造体である。
代替または追加の拡散遮断部は、隣接するウェーハサポートユニットの円形縁部の接触面
においてＳｉ_３Ｎ_４やＡｌＮなどの拡散遮断層材料を形成することにより実現可能である
。特に単純で有効な拡散遮断部は、ウェーハサポートユニットの周囲に設けられた１個以
上の三角形状の突起により形成され、それらの突起は、隣接するウェーハサポートユニッ
トの対応する断面の溝に係合する。積重ねられた実施態様において、最下部のウェーハサ
ポートユニットの底部サポートと上端のウェーハサポートユニットのカバーを含んだ、上
述のサポート底部および／またはカバーにおける細穴構造は、ガス拡散遮断部として、外
部との高度に限定されたガス交換にも寄与できる。

アニーリングプロセスのために、ウェーハは、後にウェーハの機能面となる正面が微小
容積部に面するように、装置内に挿入される。改善された特性を有する大形ウェーハを得
るためには、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から成るウェーハが、先ず、たとえばワイヤラッピ
ングやインホールソーイングにより、円筒形研削された後、約１００ｍｍ超、任意選択的
には約１５０ｍｍ超または２００ｍｍ超の径を有するＡｓ−ｇｒｏｗｎのＩＩＩ−Ｖ族単
結晶から分離され、引続いて精製とエッチングの工程を経て、ついで縁部研削の工程が実
施される以前に、石英アンプルのような融解されたシリカまたは石英ガラスを全く使用せ
ずに操作される熱処理装置にて熱処理されるのがよい。上述のウェーハサポートユニット
は、このようなウェーハ処理プロセスに使用するのが特に好適である。なぜなら、そのユ
ニットは、融解されたシリカまたは石英ガラスを用いない熱処理装置に使用されるからで
ある。石英のない環境下でのアニーリングは、Ｃｕなどによる汚染のリスクを減少するの
に役立つ。その結果、たとえば、炭素と硼素以外のすべての不純物の濃度を、好ましくは
多くて約５ｘ１０^１４ｃｍ^−３、さらに好ましくは多くて約２ｘ１０^１４ｃｍ^−３までに
制御することができる。また、そのプロセスは、一層容易かつ低コストで実施できる。さ
らに、上述したプロセスステップの順序により、表面領域における均一な抽出とウェーハ
の均質化を、特に優れた方法で実現できる。アニーリング後に引き続いて行われるウェー
ハの処理は、結晶アニールされたウェーハの工程に類して実施される。縁部研削は、好都
合には、単一ウェーハのアニーリング後に実施され、それにより、なお存在していること
がある、ウェーハ周囲縁部における不均質部または欠陥をなくすことができる。

本発明の着想により、１００ｍｍ径以上のａｓ−ｇｒｏｗｎのＩＩＩ−Ｖ族単結晶から
分離されて準備され、少なくとも表面にＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含むウェーハに対する
熱処理プロセスをさらに設けることができる。そのプロセスにおいて、上述のウェーハは
、温度上昇中に下記のように熱処理される。すなわち、ウェーハの表面を、ガス透過性お
よび／または多孔質材料により直接被覆する、あるいは０ｍｍ超最大で約２ｍｍの距離を
設けて、ウェーハ表面上にガス透過性および／または多孔質材料あるいはそうでない材料
で被覆する。
これらの代替手段により、微小容積部が、処理されるＩＩＩ−Ｖ半導体の表面上に形成
され、その微小容積部により、微小ガス空間中への、または微小ガス空間からのＡｓまた
はＰのようなＶ族構成成分の移動および／または交換が実現される。
被覆材料、すなわち、ガス透過性形態や多孔質形態、およびバルク形態の材料は、固体
であり、かつ耐熱性を有する。好ましい材料は、黒鉛、Ａｌ_２Ｏ_３のようなセラミック、
および上述のサーメットである。ガス透過性形態または多孔質形態が選択されるならば、
たとえば、上述の対応する出発材料を特定の形態、たとえば、黒鉛粒子を圧縮することに
より、適切な多孔度を調整して得ることができる。好ましくは、処理されるウェーハの縁
部および底面は、上述の材料により、直接または上述の距離で取囲まれる。

上述の実施態様における本発明のプロセスにより、複数ステップのアニーリング方式の
代わりに、単一ステップのアニーリングが可能になる。それにより、熱処理のコストが減
少する。

アニーリングは、約７５０〜１１５０℃、さらには約８００〜１０５０℃の温度範囲で
実施されるのが好ましい。雰囲気は、たとえば、窒素またはアルゴンによる不活性ガス、
特に少なくとも約０．５体積％および約１０〜２０ｂａｒ（約１ｘ１０^６〜２ｘ１０^６Ｐ
ａ）の全圧を有する不活性ガスから形成されるのが好ましい。たとえば、ＧａＡｓウェー
ハを調製する場合、Ａｓ分圧を規定することなくａｓ−ｇｒｏｗｎのウェーハに対するア
ニーリングを有効に実施することができる。本発明の装置を単独で使用することにより、
制御されたウェーハ表面からのＡｓ抽出、および／または微小容積部に面するウェーハの
表面領域におけるＡｓ分布の調整を効果的なものにするために好ましいＡｓ雰囲気が、上
述の微小容積部において発生すると考えられる。ＩｎＰウェーハのようなウェーハを調製
する場合、微小容積部に面するウェーハの表面領域中への拡散、および／または表面領域
におけるＰ分布の調整を効果的なものにするために規定されたＰ分圧下で、ａｓ−ｇｒｏ
ｗｍのウェーハに対するアニーリングを実施することは、他の方法では好都合である。

特に操作が容易なために、上述の本発明のアニーリング処理装置は、温度一定空間に単
に載置することができる。使用される炉としては、複数の加熱器組立体が好ましい。たと
えば、その炉は、１個のジャケット加熱器および２個（床面上に１個および上端に１個）
のカバー加熱器を備えているのが好ましい。アニーリング炉におけるＡｓ分圧の調整は、
不要であり、またアニーリングを容易かつ効果的なものにするために省略されることもあ
る。

アニーリング温度を維持する期間を、意図される用途に応じて、レーザ散乱トモグラフ
ィー（ＬＳＴ）等により求めることができるＶ族構成成分の抽出（たとえば、Ａｓの）や
内方拡散（たとえば、Ｐの）、および／または分布調整の所望の有効深さを得るまで、延
長することができる。

Ａｓ抽出またはＰの内方拡散、および／またはＶ族構成成分の濃度調整の好ましい深さ
は、少なくとも４０μｍである。しかしながら、その深さに限界はないし、その深さをウ
ェーハの全体厚さ範囲内で延ばすことさえもできる。

アニーリング温度の所望の維持時間と平均Ａｓ抽出深さＬ_ｅｆｆとの関係は、下記の式
により示される。

ここで、Ｄ（Ｔ）は、Ａｓの移動係数（以下の図６も参照）であり、Ｔ（ｔ）は、アニー
リングの温度／時間プロファイル（たとえば、以下の図４を参照）を指し、合計期間は、
ｔ_０により示される。概算の場合には、下記の式、すなわち

が適用される。ここで、Ｄ（Ｔ）は、アニーリング温度Ｔにおける移動係数であり、ｔは
、この温度における維持時間である。これにより、アニーリングスキームの加熱期間およ
び冷却期間を考慮しないで済む。

このプロセスのさらに特定の利点は、加熱と冷却の速度それぞれを、温度依存性により
可変的に調整可能であることから生じる。これにより、４００℃と公称アニーリング温度
との温度範囲において、加熱速度と冷却速度を３０〜４０Ｋ／ｍｉｎから０まで増減する
ことが効果的である。

別の利点は、必要に応じて、転位密度が約１ｘ１０^４ｃｍ^−２未満であるａｓ−ｇｒｏ
ｗｎのＶＢ／ＶＧＦウェーハのＥＬ２^０濃度を、少なくとも約３０％だけ増加させること
である。さらに、ＥＬ２^０濃度とメゾスコピック抵抗の両方について、｜Δ[ＥＬ２^０]／
[ＥＬ２^０]｜を約７．５％以下かつσ_{ｍｅｓｏｓ}を約６％以下、さらには｜Δ[ＥＬ２^０]
／[ＥＬ２^０]｜を約５％以下かつσ_{ｍｅｓｏｓ}を約５％以下にまで、有益に均質化するこ
とができる。表面品質も大幅に改善される。それは、特に、大きく減少したｌｐｄ（輝点
欠陥）に現れている。たとえば、ｌｐｄ（０．３〜２．０μｍ）が約０．３ｃｍ^−２未満
となる。

本発明のプロセスの上述した有利な実施態様により、アニーリング処理を、ウェーハ製
造プロセスにおける技術的順序に、問題のなく組込むことが可能となる。

本発明の装置とプロセスにより得ることができるＩＩＩ−Ｖ族半導体ウェーハ、特にＳ
ｉ ＧａＡｓ 単結晶ウェーハは、半導体デバイス製造に有益な高められた破壊強度を有す
る。さらに、これらのウェーハでは、半径方向におけるミクロスコピック均質性とメゾス
コピック均質性が改善され、また機械化学的に研磨された表面の品質も改善される。特性
が改善された理由は、化学構成成分、特に化学量論的組成を超えるＡｓ量（ＧａＡｓの場
合）またはＰ量（ＩｎＰの場合）のようなＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物中のＶ族構成成分の
濃度調整、および／またはＥＬ２濃度分布のような物理的パラメータの均質化が、本発明
の装置またはプロセスにより達成できるからであると考えられる。微小容積部を形成する
こと、およびガス雰囲気の構成成分と圧力のようなプロセスパラメータを選択的に調整す
ることにより、ＧａＡｓにおけるＡｓの場合のようなＶ族構成成分の制御された抽出、ま
たはＩｎＰにおけるＰの場合のようなＶ族構成成分の制御された内方拡散を、本発明のウ
ェーハアニーリングユニットとアニーリングカセットによって探求することができる。本
発明の装置とプロセスの両方は、液体封入チョクラルスキー法（ＬＥＣ）と比べ三次元温
度領域における非線形性がかなり小さい、垂直ブリッジマン法（ＶＢ）およびその変形法
（たとえば、垂直勾配凍結法、ＶＧＦ）により成長させた単結晶から生成したＳｉ Ｇａ
Ａｓウェーハの熱処理に適用することが好ましい。ＶＢ／ＶＧＦ法で成長させたＩＩＩ−
Ｖ族結晶、およびそれから生成されるウェーハ、特に、１００ｍｍ以上さらには１５０ｍ
ｍ以上のような大径のＳｉ ＧａＡｓウェーハでは、１ｘ１０^４ｃｍ^−２未満の転位密度
を示し、また、ウェーハの破壊確率が６３．２％（ワイブル分布）となる破壊強度特性
が、結晶アニールされた材料から得られるＳｉ ＧａＡｓウェーハのものと比較して、少なくとも約２５％だけ増加する。この破壊強度特性は、±２００ＭＰａ未満の信頼間隙で、約１９００好ましくは約２０００ＭＰａよりも高い。この破壊強度特性は、たとえば、ＤＩＮ ５１１１０／ｐａｒｔ ３またはＥＮ８４３−５（ｄｒａｆｔ）に記載されている標準方法、もしくはW.Timischi:Qualitatssicherung,Carl Hanser Verlag Munchen Wien,1996,ISBN 3-446-18591-1により測定することができる。この特性値を求めるために、２パラメータワイブル分布を適用すればよい。

本発明のプロセスにより、特に、独自の特徴の組合せを有するＩＩＩ−Ｖ族半導体単結
晶を得ることができる。その特徴の組合せは、約１００ｍｍ好ましくは約１５０ｍｍ以上
のウェーハ径、約１ｘ１０^４ｃｍ^−２未満の転位密度、約５ｘ１０^１４ｃｍ^−３好ましく
は約２ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下の炭素と硼素以外の全不純物の濃度、｜Δ[ＥＬ２^０]／[
ＥＬ２^０]｜が約７．５％好ましくは約５％以下となるＥＬ２^０濃度の均質化、かつσ_{ｍ
ｅｓｏｓ}が約６％好ましくは約５％以下となるメゾスコピック均質化、および約０．３ｃ
ｍ^−２未満のＩｐｄ（０．３〜２．０μｍ）のようなパラメータの１つ以上好ましくはす
べてにより定められる。

本発明の複数の単一ウェーハサポートユニットを備える積重ねられたアニーリングカセットの実施形態の断面を概略的に示す図である。 図１における実施形態をさらに詳細に示す図であり、付加的な拡散遮断部の実施態様の概略を示す。 複数のウェーハサポートユニットの積重ねが載置されるアニーリング炉を断面で概略的に示す図である。 本発明の１ステップウェーハアニーリングの場合における温度／時間プロファイルの一例を示す図である。 マトリックス析出物（左図）とデコレーション析出物（右図）とに関して、断面縁部図で示されるアニールされたウェーハのＬＳＴマッピングを示す図である。 抽出ウェーハアニーリングの場合における有効移動係数の温度依存性を示す図である。

本発明、およびその好ましい実施態様を、添付図面に従って詳細に説明する。

図１に、またさらに詳細について図２に、本発明の実施形態における複数の個別のウェ
ーハサポートユニット１０を備える積重ねられたアニーリングカセットが、概略示されて
いる。それぞれのウェーハサポートユニット１０は、対応するウェーハ（図示されない）
を受容できる。ウェーハは裏側で、それぞれのカセットの床面または底面に載置される。
そのカセットは、たとえば、高い温度伝導率を有し高密度ではあるがガス透過性のある黒
鉛から製造され、可能なかぎり最高の平面度を有する。それぞれが同一である個別のカセ
ットは、周縁部において直接接触して積重ねることができる。そして、重なるカセットユ
ニットの底面が、下にあるカセットユニットのカバー閉止部材をなし、空間（ウェーハ厚
さｄに適合されて図示される合計高さＨを有する）が、ウェーハを受容するように残され
る。好ましくは、別の空き容積部が確保される。微小容積部は、ウェーハサポート自体の
開放細穴構造により形成される。そして、好ましい実施形態では、カバーとウェーハ表面
との間に距離（Ｈ−ｄ）が形成されると、微小容積部は、この選択された距離に従って付
加的に形成される空き容積部により形成される。後者の場合、空き容積部は、最大で２ｍ
ｍ、好ましくは０．５〜０．７５ｍｍ、より好ましくは０．２〜０．５ｍｍ、特に０．３
〜０．４ｍｍの高さのウェーハ表面（図示されない）までの距離と、処理されるウェーハ
の径よりも大きいウェーハサポートの径２Ｒ_Ｔ、たとえば、処理されるウェーハの径の最
大で１１０％、好ましくは最大で１０５％、より好ましくは最大で１０１％の径とにより
与えられる。空き容積部は、周囲縁部においてカバー／底面係合構造１５により外側に対
して閉止される。別のガス拡散遮断部が、ウェーハサポートユニットの支持縁部上に付加
的に設けられている。そのガス拡散遮断部は、好ましくは、下にあるウェーハサポートユ
ニット上に円形縁部１６により形成される。そして、円形縁部は、上に重なる被覆ウェー
ハサポートユニットの対応する溝または窪み１７内に係合されている（図２参照）。アニ
ーリングカセット全体の上端カバーとしては、ウェハで占有されていない又はダミーウェ
ーハで占有されたウェーハサポートユニット、もしくは専有カバーを設けることができる
（図示されない）。

このようにして、たとえば、ＪＰ０９−１９９５０６Ａに記載されるような、個別のウ
ェーハの不都合な直接接触が避けられる。使用可能なカセット（ウェーハサポートユニッ
ト）数は、使用されるアニーリング炉の温度一定ゾーンの長さに左右され、ここで例示さ
れる実施形態においては、その数は９０個であった。たとえば、２箇所の円弧三角状縁部
と溝（図２参照）から形成される拡散遮断部は、主にアニーリング中に生じる微小容積部
からのＡｓ損失を、微小多孔質黒鉛を通した拡散移動の量までに減少する。したがって、
微小容積部を有するカセットは、たとえば、ウェーハ表面への自由なガスの出入りを可能
にするＪＰ０５−０８２５２７ＡおよびＪＰ０６−３０２５３２Ａ等の従来技術に記載さ
れるウェーハサポートユニットとは基本的に異なる。さらに、各箇所または特定の各領域
におけるサポートに関する上述した問題（特に、ＪＰ０５−０８２５２７Ａ）は、本発明
のウェーハサポートユニットのウェーハ主表面全体でのサポートにより、確実に避けられ
る。さらにまた、アニーリング温度までの加熱、およびその温度からの冷却の両方を促進
でき、それにより、温度保持期間中におけるウェーハ上の温度不均質化が減少する。

使用されるウェーハの厚さは、従来の製造プロセスにおけるような切断された厚さに対
応する。すなわち、本発明のウェーハアニーリングは、ウェーハ製造プロセスの寸法連鎖
の修正が要求されない。

図３に概略示されるように、ウェーハをカセット内に載置した後、カセットの外径に適
合する黒鉛チューブが、温度領域を均質化するために、カセット積重ね層を取囲むように
配置される。次いで、黒鉛チューブは、黒鉛プレートにより両端部で閉じられる。このよ
うにして形成されたアニーリング組立体（図３において、参照符号１００により示される
）が、垂直低温壁アニーリング炉の温度一定ゾーン中に挿入される。その炉は、複数の加
熱器の組立体を備えるか、または図３に示されるように、１個のジャケット加熱器２００
と２個（床面と上端）の加熱器３００を含み、水冷式で減圧排気圧力の容器（図３では図
示されない）内に収容される。その結果、従来では、石英アンプル内に通常適用されたア
ニーリング炉内のＡｓ分圧が不要となる。

上述した構成では、石英から成る構成部材を含まないので、石英から生じる汚染が排除
される。

ウェーハの熱処理は、１体積％以下の水素を添加した液体ガスからそれぞれ放出される
純窒素または純アルゴンの下で実施される。ガス圧を加える前、その圧力容器は交互に、
１０^−３ｍｂａｒまで減圧排気され、純窒素で洗浄される。かくして、工数を要しかつ煩
雑なＡｓ分圧下でのアニーリングを不要にできる。ウェーハの熱処理は、８００〜１０５
０℃の温度範囲でアニールされ、プロセスガスの全圧は、１０〜１５ｂａｒ（１ｘ１０^６
〜１．５ｘ１０^６Ｐａ）である。アニーリング時間は、所望の抽出深さに左右され、一例
を以下の実施例１においてさらに詳細に説明する。特有の温度／時間プロファイルを図４
に示す。それにより、加熱速度と冷却速度は、温度依存の仕方で調整できることが分かる
。

下記の実施例により、本発明の詳細についてさらに知ることができる。

（実施例１）
目標径１００ｍｍのＳＩ ＶＧＦ ＧａＡｓ結晶を、ＶＧＦ法により成長させた。そのプ
ロセスは、Th. Bunger, D. Behr, St. Eichler, T. Flade, W. Fliegel, M. Jurisch, A.
Kleinwechter, U. Kretzer, Th. Steinegger, B. Weinert in Mat. Sci. Technol. B80
(2001), 5に詳細に説明されている。その結晶は、初期状態の特徴化のために、熱処理、
クロッピング、円筒形研削、平坦化および試料採取をした後に、標準厚さｄ_０（７２５±
８）μｍのウェーハを、インホールソーイングにより得るようにさらに加工した。そのウ
ェーハは、標準技術により、縁部研削、清浄エッチング、洗浄、および乾燥を行い、非酸
化性雰囲気（Ｎ_２）の下で使用するまで保管した。

本発明のカセット（約１００ｍｍ径）中へのウェーハの組込みを、層流ボックス内で実
施した。装置の全てのカセットには、ウェーハ（特にダミーウェーハ）が充填された。ウ
ェーハ上方の空き空間は、０．３ｍｍであった。

積重ねられたカセットを、上述の方法でアニーリング組立体になるように完成させ、つ
いで垂直方向に、３個の個別に制御できる加熱器を有するアニーリング炉中に載置した。
その圧力容器は、３回交互に減圧排気（各々の最終真空度は１０^−３ｍｂａｒ以下）し、
引続いて、１３ｂａｒの圧力（対応するアニーリング温度における）までの超純粋窒素を
充填した。その最終充填は、超純粋窒素で実施され、その窒素へ１体積％のＨ_２が加えら
れた。アニーリングは、それぞれ５時間の維持時間で、９５０、１０００、１０５０、お
よび１１４０℃の公称温度で各々実施した。加熱速度は、４００℃までは４０Ｋ／ｍｉｎ
であり、それを超える温度での加熱速度は、公称温度に達するとき０Ｋ／ｍｉｎに近づく
速度まで、その公称温度までの時間と共に線形に減少させた。室温までの冷却は、対応す
る反対の方法で実施した。

水素の添加により、酸化物層の形成、ひいては熱処理中に任意に起こりうるＡｓ脱離の
抑制が弱められる。水素により表面拡散が強まるため、過剰なガリウム粒子への凝集が無
くされる。アニーリング後のウェーハ表面の粗度は、切断／エッチングされた表面のもの
と比較して大幅に小さくなる。

アニールされたウェーハは、引続いて、標準技術、すなわち縁部研削を行わずに、レー
ザラベリング、損傷エッチング、両面予備研磨および片面（正面側）最終研磨により加工
した。これにより、それぞれ除去された表面平行層の厚さが決まる。

ウェーハアニーリング後のＡｓ沈着物のサイズ分布は、既知の方法である、レーザ散乱
トモグラフィー（ＬＳＴ、これに関しては、M. Naumann, J. Donecker, M. Neubert: Las
er scattering experiments in VCz GaAs, J. Cryst. Growth 210 (2000) 203を参照）に
より、所謂縁部観察で調べた。すなわち、ウェーハ表面の縁部に近い領域を照射して、破
損縁部から放出される散乱光を測定した。図５において、ウェーハ領域における例を、マ
トリックス析出物（左側）とデコレーション析出物（右側）とに関して図示する。ウェー
ハの正面側は、上端に面する。

ウェーハ表面は、破線により示される。表面に平行な領域Δにおいて、マトリックス析
出物は見出されない。ほぼ同一厚さの領域Δに対応する領域において、デコレーション析
出物の散乱強度が、同様に大幅に減少している。Ａｓ沈着物が、熱処理によりＡｓ抽出と
共に溶解していること、またはそれらのサイズ分布が、より小さい寸法に移行しているこ
とがわかる。それらの相関において、ウェーハ表面上のＣＯＰｓ数は、初期状態と比べて
大幅に減少している。

Ａｓ抽出を特徴づける移動係数は、Ａｓの沈着のない領域の容易に測定可能な深さから
予測した。図６において、移動係数が、相互のアニーリング温度に対してプロットされる
。規定された温度における所望の抽出深さを得るために必要な維持時間を、それにより予
測できる。それは、容易に適用できる計算式に関する上述の説明が参照される。たとえば
、必要な維持時間は、９８０℃における７０μｍの平均抽出深さの場合に４時間である。
Ａｓ沈着物の平均サイズは、平均抽出深さよりも大きいウェーハ表面からの距離において
アニールされないウェーハに典型的なサイズまで急速に増加する。

アニールされたウェーハのウエッジエッチングされた試料により、アニールされたウェ
ーハの表面に近く位置し、Ａｓ沈着物の減少されたサイズを有する平均抽出深さに左右さ
れる層は、ＥＬ２濃度の減少によりｐ型導電性を有することが確定された。７０μｍの平
均抽出深さでは、ｐ型層の厚さは約２０μｍである。Ａｓ抽出により依然影響される、ア
ニールされたウェーハ中にさらに延びる厚さ領域は、半単離（ＳＩ）の状態のままである
。ｐ型層は、アニールされたウェーハの損傷エッチングおよび先行研磨により確実に除去
される。

転位エッチピット密度、伸張光学的手法で求められる残留歪レベル、および二重結晶ロ
ッキングカーブマッピングにより求められた半幅値によって、アニールされたウェーハの
構造的完全性を評価したところ、結晶アニールされたウェーハの場合に対応する結果に対
し相違がないことが明らかになった。

（実施例２）
アニールされていない円筒形に研磨されて切欠きされた１５２ｍｍ径のＳＩ ＶＧＦ Ｇ
ａＡｓ単結晶を、ワイヤラッピングにより、（７７４±８）μｍの平均厚さを有するウェ
ーハに加工した。そのウェーハは、清浄エッチングおよび損傷エッチングがなされ、第１
の実施例で述べたように、約１５３ｍｍの内径を有している。そして、そのウェーハを、
ウェーハの上方に０．４ｍｍの空き空間高さを備えた本発明のカセット中に載置した。熱
処理は、４時間の維持時間で、９８０℃において実施した。加熱と冷却の速度は、第１の
実施例で述べた値と同一であった。公称温度におけるＮ_２／Ｈ_２プロセスガスの作動圧力
は、１２ｂａｒであり、その水素含有量は、１体積％であった。

同一の結晶から生じる比較対象のウェーハと同様にアニールされたウェーハに対して、
縁部研削、レーザラベリング、損傷エッチング、および両面予備研磨と片面最終研磨を行
い、最終浄化した。ウェーハの最終厚さは、（６９０±５）μｍとなり、１５０ｍｍ径の
ウェーハの許容上限であった。引続いて、標準手順により、Ｓｕｒｆｓｃａｎ６４２０（
ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ）を使用することによる所謂「輝点欠陥」（ｌｐｄ）の判断を通し
て、（０．２〜２．０）μｍと（０．３〜２．０）μｍの分類されたサイズ範囲における
ＣＯＰｓ数、およびＳＵＰＥＲＳＯＲＴ^ＴＭを使用することによるウェーハの形状パラメ
ータを測定した。

表１において、ウェーハアニーリング後のＣＯＰｓの平均数が、従来の結晶アニーリン
グがなされた比較対象ウェーハのものと比較される。ウェーハアニーリングにより、ＣＯ
Ｐｓ数は、対応するサイズ分布において１桁以上減少されたことが明らかである。比較対
象材料と比較すると、頻度分布は、本発明のウェーハアニーリング後は狭く、Ａｓ沈着物
制御用の、本発明の抽出プロセスが非常に良好な再現性と信頼性を有していることが示さ
れる。

アニールされたウェーハは、２度目の両面予備研磨と片面最終研磨が行われ、再び測定
された。ここで厚さは、（６５５±５）μｍの許容下限の範囲内であった。ウェーハ表面
上のＣＯＰｓ数は、第１の研磨ステップ後よりも高かったが、仕様限界よりも依然低かっ
た。抽出深さを選択することにより、それぞれの仕様限界より低いウェーハの許容厚さ範
囲全体において、ＣＯＰｓ数を減少させることが可能である。

ウェーハの形状パラメータの測定結果を表２に示すが、大幅な相違はない。かくして、
本発明のカセットにおけるアニーリングは、従来の手順操作と比べてウェーハの形状パラ
メータの劣化をもたらさない。

デバイスエレメントに関連する特性の均質性を評価するために、アニールされたウェー
ハのＥＬ２^０濃度を、＜１１０＞方向のウェーハ半径（０〜Ｒ_Ｗ）に沿う７．５ｍｍ幅の
セクターにおいて、そのセクターに直交する約３０μｍかつそれに平行な２７０μｍの横
方向解像度で、表示させて測定した。その測定は、Silverberg et al.(P. Silverberg, P
. Omeling, L. Samuelson: Appl. Phys. Lett. 52(1988)1689)による光イオン化断面を使
用する、既知であるλ＝１０６４ｎｍの近赤外線吸収法により実施した。さらに、１．０
ｎｍの解像度での電気抵抗率の全体ウェーハマッピングを、R.Stibal et al.(R. Stibal,
J. Windscheif, W. Jantz: Contactless evaluation of semi-insulating GaAs wafer r
esistivityusing the time dependent charge measurement, Semicond. Sci. Technol. 6
(1991)995-1001)のＴＤＣＭ法により測定した。

本発明のウェーハアニーリングにより、ウェーハの平均ＥＬ２^０濃度が、標準的な結晶
アニーリング後の結晶から生じるウェーハと比較して、１．４ｘ１０^１６ｃｍ^−３まで約
３０％増加した。表３から明らかになるように、平均ＥＬ２^０濃度の相対的標準偏差が、
ウェーハアニーリング後に１２〜１６％から４〜５％まで減少している。ＥＬ２^０分布の
メゾスコピック均質性（M. Wickert: "Physikalische Mechanismender Homogenisierung
elektrischer Eigenschaften von GaAs-Substraten" ("Physical Mechanisms of the Ho
mogenization of Electric Properties of GaAsSubstrates"), Dissertation, Albert-Lu
dwigs-Universitat Freiburg im Breisgau, 1998を参照）は、結晶アニーリング後に約９
％であったが、ウェーハアニーリングの手段により約４％まで改善された。ＥＬ２^０濃度
の増加に対応して、ウェーハの平均抵抗率が減少した。改善されたＥＬ２^０均質性に類似
して、アニールされたウェーハは、抵抗率のマクロスコピック均質性およびメゾスコピッ
ク均質性が改善された。

アニールされたウェーハの構造的に優れた特性を評価するために、転位エッチピット密
度を、標準的なＫＯＨエッチングを行って全体のウェーハマッピングを測定することによ
り求め、また、＜１１０＞ロッキング軸および１×２ｍｍ^２測定スポットサイズと同様の
１×１ｍｍ^２ステップ幅を使用して｛００４｝−Ｃｕ−Ｋα二重結晶ロッキングカーブマ
ッピングの平均半幅値を求めた。これらの評価結果を、表４に示す。

結晶アニールされたウェーハの対応する結果との著しい相違は見出されなかった。すな
わち、アニールされたウェーハの構造的に優れた特性は、本発明のアニーリング装置にお
ける本発明の熱処理により影響を受けない。

（実施例３）
それぞれの目標径が１５０ｍｍである３個のアニールされていないＳＩ ＶＧＦ ＧａＡ
ｓ単結晶と３個の結晶アニールされたＳＩ ＶＧＦ ＧａＡｓ単結晶とを、クロッピングと
円筒形研削後に、ワイヤラッピングの手段により平均厚さ（７７０±８）μｍのウェーハ
に加工した。そのウェーハに対して、清浄エッチングと損傷エッチングとをなし、ついで
第１の実施例で述べたように、約１５３ｍｍの内径と０．４ｍｍの空き空間高さを有する
本発明のカセット中に載置した。熱処理は４時間の維持時間で、９８０℃において実施し
た。加熱と冷却の速度は、第１の実施例で述べた値と同一であった。公称温度におけるＮ
_２／Ｈ_２プロセスガスの作動圧力は、１１〜１３ｂａｒであり、その水素含有量は、１体
積％であった。

アニールされたウェーハに対し、標準手順に従って縁部研削、レーザラベリング、損傷
エッチング、および両面予備研磨と片面最終研磨を行い、最終研磨した。ウェーハの一部
分は、２度目の両面予備研磨と片面最終研磨を行った。

これらのウェーハを用いて、破壊強度を、ＣＯＰｓ数を求めた後に測定した。その測定
は、ＳＣＨＡＰＥＲ ｅｔ ａｌ．により詳細に説明されている改訂二重リング検査（M.
Schaper, M. Jurisch, H.-J. Klaus, H. Balke, F. Bergner, R. Hammer, M. Winkler:
Fracture Strength of GaAsWafers, in B. Michel, T. Winkler, M. Werner, H. Fecht
(Eds.): Proceedings 3^rd Internat. Conf. MicroMat2000, April 17-19, 2000, Berlin
）を使用して実施した。内径１４２ｍｍのサポートリングはＰＴＦＥ製であり、荷重を１
／８インチ径のステンレス鋼球によりウェーハの中心へ加えた。最終研磨されたウェーハ
正面側それぞれは、張力を受けた。荷重／曲げカーブを、破壊まで記録した。試験結果は
、破壊荷重／最大曲げ（Ｆ_ｍａｘ、ｆ）の対比から構成される。測定結果は、６７５μｍ
の均一なウェーハ厚さまで標準化した。この標準化、および破壊荷重に基づく破壊強度の
計算は、Ｆ．ＤＵＤＥＲＳＴＡＤＴによる破壊検査（F. Duderstadt: "Anwendung der vo
n Karman'schen Plattentheorie und der Hertz'schenPressung fur die Spannungsanal
yse zur Biegung von GaAs-Wafern im modifizierten Doppelringtest" ("application o
f the Karmanplate theory and the Hertz pressing for the tension analysis for the
bending of GaAswafers in the modified double ring test"), PhD thesis, TU Berli
n, 2003）の理論分析に基づいて実施した。

結晶アニールされたＳＩ ＶＧＦ ＧａＡｓ単結晶のウェーハでの結果と比較して、ウェ
ーハアニーリング後のウェーハの特徴的な破壊強度を、表５に示す。

アニールされたウェーハの特徴的な破壊強度は、結晶アニールされたウェーハのものよ
りも、かなり高い。この相違の理由は、表面に近い領域においてウェーハアニーリングに
よってＡｓ沈着物の平均サイズが減少したこと、および結晶アニールされた材料と比較し
てそこから生じるウェーハ表面上のＣＯＰｓの平均サイズが小さいことに基づくと考えら
れる。明らかに、ＣＯＰｓは、破壊プロセスを開始する種として作用する。

比較対象ウェーハ

比較対象のために取り上げたウェーハは、結晶アニーリング後のＳＩ ＶＧＦ ＧａＡｓ
単結晶から製造された。アニーリングは、１０時間の維持時間で、８００℃において１ｂ
ａｒのＡｓ分圧の下で石英アンプル内で実施した。加熱と冷却の速度は、４００℃を超え
る温度では０．５Ｋ／ｍｉｎであった。

本発明は、特定の実施例に限定されないし、これらの実施例は、本来もっぱら説明上の
ものであり、かつ説明用として役立つものである。種々の実施形態と実施例を、適宜、必
要に応じて組合せることができる。さらに、当業者は、ここに説明される実施形態の種々
の変更態様および変形態様を、付属クレームにより明示される本発明の要旨と範囲内で実
施できることが分かるであろう。

１０ ウェーハサポートユニット
１５ カバー／底部係合構造部材
１６ 円形縁部
１７ 窪み
１００ 参照符号
２００ ジャケット加熱器
３００ 加熱器

Claims (3)

1. 直径１００ｍｍ以上で転位密度が１ｘ１０^４ｃｍ^−２以下のＧａＡｓ半導体単結晶ウェ
   ーハであって、
   ウェーハの破壊確率が６３．２％（ワイブル分布）となる破壊強度特性が、結晶アニールされた材料から得られるＳＩ ＧａＡｓウェーハと比較して、少なくとも２５％高いことを特徴とするＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハ。
2. 直径１００ｍｍ以上で転位密度が１ｘ１０^４ｃｍ^−２以下のＧａＡｓ半導体単結晶ウェ
   ーハであって、
   ウェーハの破壊確率が６３．２％（ワイブル分布）となる破壊強度特性が、１９００ＭＰａよりも高いことを特徴とするＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハ。
3. 炭素および硼素以外の全不純物の濃度が５ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下、
   ｜Δ[ＥＬ２^０]／[ＥＬ２^０]｜が７．５％以下およびσ_{ｍｅｓｏｓ}が６％以下、
   Ｉｐｄ（０．３〜２．０μｍ）が０．３ｃｍ^−２未満
   であるという特徴の少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１又は２に記載
   のＧａＡｓ半導体単結晶ウェーハ。