JPH0380199A - ｐ型ＧａＡｓ単結晶基板およびその製造方法並びにそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＧ　ａ　Ａ　ｓ単結晶ウェーハ特にＰ型ＧａＡ
ｓ単結晶ウェーハとその製造方法およびそれを用いた半
導体デバイスに関するものである。

［従来の技術］ ＧａＡｓ単結晶のような化合物半導体単結晶の基板を用
いた電子デバイスとしてＭＥＳＦＥＴやＨＥＭＴ、接合
型ＦＥＴが実用化され、これらを基本素子としたＩＣや
ＬＳＩも研究されている。

この種の電子デバイス用ＧａＡｓ単結晶基板には従来抵
抗率が１０’Ω■以上の半絶縁性基板が用いられていた
。しかしながら、前記ＧａＡｓＬＳＩは多方面で精力的
に研究されているにもかかねらず、集積化が困難であり
実用化が遅れている。

その原因の一つとして半絶縁性基板の面内やつ工−ハ間
の特性のばらつきがある。このような背景から半＃４Ａ
縁性基板の品質向上の研究が多くなされ、その結果、キ
ャリア濃度が］０７〜１０８ＣＩＩ＋−３のＧａ　Ａ　
ｓ半絶縁性基板は、不純物濃度がそのレベルまで低いの
ではなく、Ｅ　Ｌ　２と呼ばれる深い準位をもつトナー
が、主要な不純物でアクセプターとして作用するカーボ
ンを補償しているため高抵抗化することが明らかになっ
た。

また、ＥＬ２は不純物ではなく、構成元素の↓つたるＡ
ｓに関連した固有欠陥であり、ＥＬ２は結晶育成の条件
や育成後の熱処理によって濃度が変化することも分かっ
てきた。

例えば、ＧａＡｓ電子デバイスはイオン注入法により活
性層を形成することが多く、この際イオン注入後に注入
イオンの活性化を目的として７５０〜８５０℃の熱処理
が行なわれるが、この熱処理の際に表面近傍でＥＬ２濃
度が低下することが報告されている（　Ｊ　、　Ａ　ｐ
　ｐ　］、　、　Ｐ　ｈ　ｙ　ｓ　、　Ｖ　。

１．５３．　　（１９８２）ｐ５７７）　　。

一方、Ｈｏ　ｌ　ｒｎ　ｅｓらは、引上げ法で作成する
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶のＥＬ２濃度が融液の組成の影響
を受けることを見出した（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ　　Ｖｏｌ、４０．（１９８２）ｐ４６）。

具体的にはＧａリッチ組成とすることでＥＬ２＃度は下
がり、Ａ　ｓ　／　（Ｇ　ａ　＋　Ａ、　ｓ　）で定義
される組成が０．４７５以下では結晶がｐ型化すること
を見出した。ＬａｇｏｗｓｋｉらはＡｐｐｌ、Ｐｈｙｓ
、Ｌｅｔｔ、Ｖｏｌ、４９　（１９８６）ｐ８９２にお
いて１２００’Ｃ程度の高温でアニールし、急速冷却す
ることにより結晶全体がｐ型化することおよび８５０℃
で再び熱処理を施すことにより、ｐ型化した結晶が半ｐ
ｍ性化することを報告したが、これなどもＥＬ２の熱に
対する不安定性を示すよい証左と言える。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、Ｇ　ａ　Ａ　ｓデバイスの素子間分離は高抵
抗基板の特性そのものを利用しているので、ウェーハ表
面でＥＬ２ｇ度が低下するいわゆる熱変性という現象は
デバイスの特性のばらつきを大きくし、歩留りを低下さ
せるため実用化の妨げとなる。現在では、基板の残留ア
クセプターを減らしたり、アニール方法の工夫により熱
変性の問題はある程度解決されているものの、ＥＬ２濃
度は本質的に熱処理により変化するので、特性の変化や
バラツキは避けられない。

以」二連へたように、デバイスプロセスにおける熱処理
で特性の全く変化しない半絶縁性ＧａＡｓ基板はこれま
で存在せず、ＧａＡｓ　　ＩＣやＬＳＩの実用化の遅れ
の一因はこのようなＧ　ａ　Ａ　ｓ基板の特性の不安定
性にあった。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもの
で、その目的とするところは、熱に対する安定性が高く
、イオン活性化のための熱処理によって特性が変化しな
いＧ　ａ　Ａ　ｓ単結晶基板およびその製造方法並びに
それを用いた半導体装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、ＧａＡｓ　’　ＩＣやＬＳｉ等の電子デ
バイスの実用化にはＥＬ２のような固有欠陥の少ないＧ
ａＡｓ単結晶基板の開発が不可欠と考え、ＥＬ２を低減
する技術について検討した。

ＥＬ２を低減するには、例えば前述のＨｏ　］、　ｍｅ
ｓの発見を利用してＧ　ａ　Ａ　ｓ単結晶をＧａリッチ
とすればよい。しかし、Ｇａリッチとするとアンドープ
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶のＥＬ２濃度を低減できるが結晶
がｐ型化される。

従来、ＧａＡｓ　　ＩＣで半絶縁性基板が用いられてい
るのは素子間分離容量や配線容量等の寄生容量を低減す
るためであり、ｐ型導電性ＧａＡｓ基板を用いて従来の
イオン注入プロセスによるＦＥＴの作成が不可能なわけ
ではない。現在、半導体デバイスの主流となっているシ
リコンを用いたＥＣＬ（エミッタ・カップルド・ロジッ
ク）や■２Ｌ（インチグレイテッド・インジェクション
・ロジック）、ｎ−ＭＯＳ　　ＬＳＩではｐ型基板が使
用されており、ＧａＡｓデバイスにおいて、半絶縁性基
板に固執する理由はない。従って、安定かつ均一なｐ型
導電性Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板を得る技術が確立されればＧ
ａＡｓ　　ＩＣやＬ　Ｓ　Ｉがシリコンデバイス同様工
業的に発展する可能性がある。

しかしながらこれまで述べたように、アン１−プでＧａ
Ａｓがｐ型化する現象は見出されているが、特定の安定
したｐ型ＧａＡｓ基板を作成する手段はまだ確立されて
いなかった。前述のＨｏ　］ｍｅｓの発見を利用すれば
、かなりのＧａリッチの融液から結晶を育成することに
よりｐ型基板の作成は可能と思われるが、この場合結晶
育成時の融液組成は結晶の固化率に応じて変化してしま
い、王水の結晶の上部と下部で特性が変化するので安定
して多数枚のウェーハを得ることはできない。

一方、Ｌａｇｏｗｓｋｉらの提案したアニール法を利用
して王２００℃の高置でＡｓ蒸気圧を印加しつつＧ　ａ
　Ａ　ｓをアニールしてＥＬ２を減少せしめ、その後数
秒のうちに室温まで冷却する急冷法によりｐ型化する方
法も考えられるが、この方法は、第１に急冷により結晶
が冷却時の熱応力で割れること、第２にその後の８５０
℃程度の熱処理で再びＥＬ２が増加して高抵抗化する欠
点がある。特に後者の欠点は、熱的に安定なｐ型基板を
得る際の致命的な欠点となる。

ＥＬ２が高温インゴットアニールで減少するのは、ＥＬ
２を構成するＡｓ集合体が分散して、ＡＳがマトリック
スのＧａＡｓ中に固溶するためであるが、この固溶した
過剰Ａｓは８５０℃程度の温度で再び集合してＥＬ２を
形成してしまう。このようなＥ　Ｌ　２の挙動は可逆的
に起こる。

本発明者らは、育成後のＧａＡｓインゴットやウェーハ
を種々の条件でアニールする実験を進めたところ、ウェ
ーハの状態でＡｓ圧を加えながら高温でアニールするこ
とにより、熱的に安定なＰ型ＧａＡｓ基板を得ることを
見出した。

本発明は、上記知見に基づいて含有するＥＬ２濃度が０
　、５　Ｘ　１０１６ｃｍ−３以下であって、抵抗率が
２Ｘ１０’Ω０以下、ホール移動度が３０００ｃＪ／Ｖ
Ｓ以下であることを特徴とするｐ型ＧａＡｓ単結晶基板
およびその製造方法並びにそれを用いた半導体装置を提
案するものである。ここで、ｐ型車結晶基板は、育成さ
れたＧａＡｓ単結晶インゴットを薄板状に切断して石英
製アンプル内に砒素もしくは砒素化合物とともに封入し
、熱処理温度をＴ　（℃）　、砒素の蒸気圧をｐ　（ａ
ｔｍ）としたとき、ＴＭ＞Ｔ＞−２７１ｅｘｐ（２，２
５Ｐ）十ＴＭ（ＴＭはＧａＡｓの融点）を満足する温度
条件の下、またはＯ≦Ｐ＜０．　４．４　Ｑ　ｎ　（Ｔ
Ｍ　−Ｔ）／２７エを満足する砒素蒸気圧の下で熱処理
を施すことで得る。

［作用］ 上記手段によれば、超急冷を行なわずともｐ型ＧａＡｓ
が得られ、−旦ｐ型化した基板は８５０℃程度の熱処理
を施しても、ＥＬ２の可逆的な生成に依る電気特性の変
化はない。

本発明者らは、ＥＬ２を構成するＡｓの挙動に関して、
ＨｏｌｍｅｓやＬａｇｏｗｓｋｉの実験結果におよび本
発明の現象を包括的に説明する機構は以下のようなもの
であると考える。

すなわち、ＥＬ２はＡｓの集合体であるため、結晶組成
が化学量論的組成（ストイキオメトリ−）近傍かもしく
はＡｓリッチである時のみ存在できる。一方Ａｓの集合
体はＬａｇｏｗｓｋｉが示したように１２００　’Ｃの
高温では分解してマトリックス中に溶は込む。この際、
外部にはストイキオメトリ−なＧａＡｓとつり合うよう
Ａｓ蒸気圧を１気圧程度印加しているのでＥＬ２を形成
するＡＳは外部に拡散せず結晶に留まっている。この状
態で室温まで急速冷却すると、固溶したＡｓはそのまま
の状態でマトリックス中におそらくは格子間原子の形で
分散している。これは熱力学的には準安定状態であるの
で、８５０℃程度の温度まで上げると、再びＥＬ２を形
成するようになる。これに対し、石英アンプル中で前記
Ａｓ蒸気圧よりやや低いＡｓ蒸気圧下でＧ　ａ　Ａ　ｓ
ウェーハをアニールすると、ＧａＡｓの組成はＡｓ蒸気
圧と熱力学的に平衡となるような組成まで変化すること
になり、例えばＡｓ蒸気圧が低い場合にはＧａＡｓはＧ
ａリッチの組成になる。このような結晶はＥＬ２を生成
するような過剰Ａｓを結晶内に内包しないので、８５０
℃程度の温度でアニールしてもＥＬ２の生成はなく、従
って電気特性の変化はな本発明によるｐｆｊｄＧａＡｓ
は、言わば育成後の後処理によりＧａＡｓの組成をＧａ
リッチにしているもので、熱的安定性が高くなり、しか
も−度に多数枚の特性の揃ったｐ型ＧａＡｓ払板を作成
できる。

なお、結晶育成時に故意にＺｎやＭｒ、、Ｂｅ等のｎ型
不純物を添加することによってもｐ型ＧａＡｓを得るこ
とができる。この場合、結晶中にはｎ型不純物をドナー
であるＥＬ２の濃度（通常は０．５〜５Ｘ１０′６Ｇ−
３）以上添加する必要がある。この方法の重大な欠点は
、第１にたとえｐ型化しても、そもそも結晶中に深いＩ
くナー準位を形成するＥＬ２が存在していることである
。Ｓ１デバイスの例でも深い準位の存在は特性を著しく
悪化させることが知られている。また、第２の欠点は不
純物の偏析効果のため」１本の結晶中でも、固化した位
置により不純物濃度が異なり、従って電気特性がウェー
ハ間で異なってしまうことである。

第３にこの基板にｎ型不純物をイオン注入してテバイス
を作るとｎ型層の移動度が低下する。

（実施例１） ＬＥＣ法で育成した直径３インチのアンドープ半絶縁性
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶を厚さ８００μｍのウェーハに切
断し、これを洗浄した後、第４図に示すように数１０枚
のウェーハ１を互いに接触しないように石英製の治具２
」―に乗せ、これを石英製のアンプル４内に微量の金、
［Ａｓ塊３とともに真空封入した。このようなアンプル
を７個用意し、これらのアンプル４を電気炉内でそれぞ
れ８５０℃、９００”Ｃ，１０００℃、１１００″Ｃ１
１１５０°Ｃ１１２００℃、１２３０　’Ｃの温度で５
時間保持した後、２０℃／ｍｊｎの冷却速度で冷却した
。アンプル中の金属Ａｓ塊は上記熱処理温度でアンプル
内のＡｓの蒸気圧がＡｓ、として０．５気圧となるよう
に予め秤量して入れた。アンプル中から取り出したウェ
ーハを鏡面加工し、最終的に厚さを６００μｍとした。

このウェーハの中心部および周辺部から、５ｎＵ１角の
試料を切り出し、ファンデルパラ（Ｖａｎ　　ｄｅｒ　
　Ｐａｕｗ）法により抵抗１ 率および移動度を測定した。その測定結果を第２図に示
す。

同図よりアニール温度８５０〜１１００℃まではｎ型高
抵抗を示し、はぼ↓１５０　’Ｃを境に、それ以」二の
アニール温度ではｐ型低抵抗ウェーハになっていること
が分かる。

さらに、光吸収法により試料のＥ　Ｌ　２濃度を測定し
たところ、Ｐ型化した基板ではＥＬ２による吸収は認め
られなかった。また、ｐ型化した基板を電気炉内のＮ２
雰囲気下で８００〜９５０°Ｃで１０〜２４０分アニー
ルし、その後ファンデルパラ法により抵抗率を測定した
ところ、抵抗率はアニール前とほぼ同一でありｐ型導電
性のままであることが確認された。

（実施例２） 実施例１の方法と同様にしてアンドープＧａＡｓ単結晶
インゴットから切断した厚さ８００μｍ、直径３インチ
の半絶縁性ＧａＡｓウェーハを数１０枚、Ａｓとともに
真空封入したアンプルを６個用意し、これらのアンプル
を各々１１００℃で５２ 時間アニールし、２０　’Ｃ／ｎ＋ｉｎの速度で冷却し
た。

その際、アンプル内の金属Ａｓの量を変え、１工ｏｏ’
ｃにおいてＡ　ｓ　４蒸気圧がＯ，ｌａｔｍ、　０．２
ａｔｍ、　ｏ、　３ａｔｍ、　ｏ、　４ａｔｍ、　０．
７ａｔｍ、　］、、　Ｏａｔｍとなるように秤量して入
れておいた。アニル後アンプルから取り出したウェーハ
を実施例１と同一の方法で電気的特性を測定した。第３
図にその測定結果を示す。

同図よりＡ　ｓ　４蒸気圧が約０．３気圧以」二で熱処
理したウェーハはｎ型高抵抗化を示し、０．３気圧付近
で急激に特性が変化し、０．２５気圧以下ではｐ型低抵
抗化していた。↓アンプル内に約↓ＯＯ枚のウェーハを
入れた多数枚の実験でも、ウェーハはｐ型化しており、
特性も揃っていた。

実施例１と同様、Ｎ２雰囲気下で８００〜９５０℃で再
びアニールし、高抵抗に変化するか否かの試験を行なっ
たが、ｐ型導電性の特性に変化はなく、熱的に安定であ
った。

上記２種類の実施例により、熱処理によりアンドープＧ
　ａ　Ａ　ｓウェーハをｐ型化する場合の条件としてＡ
ｓ圧と熱処理温度との間には相関かあることが分かる。

第上図に上記２穐類の実施例で実施したときの条件をＯ
印と目印でプロットし、そのうちｐ型化したものはメツ
シュで塗り潰し、ｒ１型とｐ型の境界すなわち真性領域
に属するものはハツチングを入れて示した。

また、アンプル中にＡｓを封入せずアンドープＧａＡｓ
ウェーハのみ封入したものを６個用意し、それぞれ９０
０℃、９５０℃、１０００　°Ｃ１１１ｏｏ’ｃ、１．
１．５０℃、１２００℃の温度で５時間アニールし、２
０’Ｃ／ｍｊｎの速度で冷却したウェーハの抵抗率、移
動度を測定してｎ型かｐ型か調べた。その結果をΔ印で
第」−図にプロツトシた。

同図において、実線Ａより右側の領域はウェーハがｐ型
化する領域で、左側の領域はウェーハがｎ型高抵抗であ
る領域である。

上記実線Ａを表わす実験式を検討した結果、熱処理温度
をＴ　（’Ｃ）　、熱処理時のＡｓ圧をＰ　（ａｔｍ）
とすると、概ね次式に近似することが分かった。

なお、ＴＭはＧａＡｓの融点上２３８℃である。

１５ Ｔ＝−２７１−ｅｘｐ（−２，２５Ｐ）＋ＴＭこれより
、アンドープＧ　ａ　Ａ　ｓ単結晶ウェーハがｐ型化す
る条件は、１２３８＞Ｔ＞　−２７１ｅｘｐ（２，２５
Ｐ）＋ＴＭまたはＯ≦Ｐ＜０．４４、　Ｑ　ｎ　（ＴＭ
−Ｔ）　／　２７１であることが分かる。

さらに、上記実施例の熱処理後に、ＦＥＴ作成の際の活
性化処理と同し温度（７５０〜８５０℃）もしくは、そ
れよりも若干高い温度（８００−１ｏｏｏ’ｃ）で０．
１〜１００時間再度熱処理を施しておくことにより、ウ
ェーハ内の特性（抵抗率及び移動度）のバラツキが小さ
く　（１／２〜１７１．０）なることを確認した。

次に、上記実施例により得られたｐ型ＧａＡｓウェーハ
上にＭＥＳＦＥＴを作成した。ＦＥＴは、第５図に示す
ようにウェーハエの主面にＳ］を］００Ｋｅｖ、ドーズ
量２　Ｘ　１０’２／ｃｄでイオン注入した後、ウェー
ハの両面にＳ」３Ｎ、膜を形成して、Ｎ２ガス気流中８
３０’Ｃで１０分間キャップアニールし、活性ＪＷＩＩ
を形成してから、活性層１１ににゲート電極１０とソー
ス・ドレイン電極１６ １３．１４を形威し、メサエッチングで素子間分離を行
なった。ソース・トレイン電極にはＡｕＧ　ｅ　／　Ｎ
　ｉ　／　Ａ　ｕを、ゲート電極にはＴ　ｉ、　／　Ｐ
　ｔ／　Ａ　ｕを用いた。

上記ＦＥＴの諸特性を評価したところＦＥＴとして正常
に動作することを確認した。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明は、育成されたＧａ　Ａ　
ｓ単結晶インゴットを薄板状に切断して石英製アンプル
内に砒素とともに封入し、熱処理温度をＴ　（℃）　、
砒素の蒸気圧をＰ　（ａｔｍ）としたとき、ＴＭ＞Ｔ＞
−２７１ｅｘｐ　（−２，２５Ｐ）＋ＴＭ（ＴＭはＧ　
ａ　Ａ　ｓの融点）を満足する温度条件の下、またはＯ
≦Ｐ＜０．４．４０　ｎ　（ＴＭ−Ｔ）　／２７１を満
足する砒素蒸気圧の下で熱処理を施すようにしたので、
超急冷を行なわずどもＰ型ＧａＡｓ単結晶基板が得られ
、−旦ｐ型化した基板は９５０℃程度の熱処理を施して
も、ＥＬ２の可逆的な生成による電気特性の変化がなく
なり、熱的安定性の高いｐ型ＧａＡｓ単結晶基板が得ら
れるという効果がある。

また、上記方法により得られたＧａＡｓ基板を用いたＦ
ＥＴのような電子デバイスでは特性のバラツキが小さく
、歩留りも高いという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はアンドープＧａＡｓウェーハの熱処理における
Ａｓ圧と熱処理温度を変えた場合にｎ型高抵抗ウェーハ
とｐ型ウェーハとに分かれる境界条件を示す図、 第２図（ａ）、（ｂ）は砒素蒸気圧を０　、５　ａｔｍ
とし、熱処理温度を変えたときのＧ　ａ　Ａ　ｓウェー
ハの抵抗率および移動度の温度依存性を示す図、第３図
（ａ）、（ｂ）は熱処理温度を↓１００℃とし、蒸気圧
を変えたときのＧａＡｓウェーハの抵抗率および移動度
の砒素圧依存性を示す図、第４図は本発明に係る熱処理
方法に使用するアンプルの構成例を示す断面図、 第５図は本発明方法により得られたウェーハを用いた電
子デバイスの一例としてのＭＥＳＦＥＴを示す断面正面
図である。 １・・・・ウェーハ、２・・・治具、３・・・・砒素塊
、４・・・・アンプル、１工・・・・活性層、１２・・
・ゲート電極、１３．工４・・・・ソース・１へレイン
電極。 手続補正書 （自発） 事件の表示 平成１年特許願第２１２６５６号 ２、発明の名称 ｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶基板およびその製造方法並び
にそれを用いた半導体装置 補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名称 日本鉱業株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）含有するＥＬ２濃度が０．５×１０＾１＾６ｃｍ
   ＾−＾３以下であって、抵抗率が２×１０＾６Ωｃｍ以
   下、ホール移動度が３０００ｃｍ＾２／ＶＳ以下である
   ことを特徴とするｐ型ＧａＡｓ単結晶基板。
2. （２）育成されたＧａＡｓ単結晶インゴットを薄板状に
   切断して石英製アンプル内に砒素もしくは砒素化合物と
   ともに封入し、熱処理温度をＴ（℃）、砒素の蒸気圧を
   Ｐ（ａｔｍ）としたとき、Ｔ＿Ｍ＞Ｔ＞−２７１ｅｘｐ
   （−２．２５Ｐ）＋Ｔ＿Ｍ（Ｔ＿ＭはＧａＡｓの融点）
   を満足する温度条件の下、０≦Ｐ＜０．４４ｌｎ（Ｔ＿
   Ｍ−Ｔ）／２７１を満足する砒素蒸気圧の下で熱処理を
   施すようにしたことを特徴とするｐ型ＧａＡｓ単結晶基
   板の製造方法。
3. （３）請求項２記載の方法で作成したｐ型ＧａＡｓ単結
   晶基板を７５０℃以上１０００℃以下の温度で熱処理す
   ることを特徴とするｐ型ＧａＡｓ単結晶基板の製造方法
   。
4. （４）請求項１記載のｐ型ＧａＡｓ単結晶基板上にｎ型
   活性層が形成され、その表面に直接もしくは絶縁膜を介
   して電極が形成されてなることを特徴とする半導体装置
   。