JPS6358800B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
(ア) 技術分野
この発明は、GaAs単結晶インゴツトの軸方向
特性の均一性を向上させ、これをインゴツト間で
再現性良く行う方法に関する。
(イ) 従来技術
GaAs単結晶は、水平ブリツジマン法(HB)
又は液体カプセル法(LEC)で製造される事が
多い。製造された単結晶インゴツトには、多数の
結晶欠陥が含まれている。
欠陥の評価はエツチピツト密度(EPD)によ
つてなされる事が多い。インゴツトをスライスし
てウエハとし、これをエツチングして表面に現わ
れたエツチピツトを計数し、単結晶に含まれる欠
陥の程度を評価する。エツチピツトは転位がウエ
ハ切断面に現われたものであるから格子欠陥の尺
度となる。
LEC法、HB法などは工業的に優れた方法では
あるが、これらの方法で作つた単結晶はなお多く
の欠陥を持つている事が多い。例えばLEC法で
作られた直径50mm以上のGaAs単結晶の場合、
EPDは104cm-2〜5×105cm-2の範囲にある。
しかもエツチピツトは不均一に分布している。
ウエハ面内で見ても、外周部で最も多く、中心部
でもこれに次いで多い。中心から少し離れた位置
でエツチピツトは少なくなる。W型の分布をして
いる。これは面内のエツチピツト分布の問題であ
る。
これに加えて、インゴツトの軸方向の不均一性
がある。LEC法で作つた単結晶の場合、種結晶
に近いフロント部でのEPDは比較的低いが、種
結晶から遠くなるに従つてEPDは増えてゆく。
GaAs単結晶ウエハから電界効果トランジスタ
(FET)を作る事ができる。この場合、スイツチ
ングのオン・オフを決める閾値電圧Vthが重要な
パラメータとなる。Vthは一定である事が望まし
いが、ウエハの中でもパラついているのが通常で
ある。
閾値電圧Vthの不均一性とEPDの分布とが、強
い相関を持つという事が指摘されている。例え
ば、宮澤らの応用物理第52巻第3号(1983年)
227ページに、VthとEPDの相関について述べて
ある。
Vthの不均一性も、EPDと同じく、ウエハ面内
の不均一性と、ウエハを越えてインゴツトの軸方
向の不均一性とがある。
転位を減らすということが、Vthのバラツキを
減らすという事と全く等価であるわけではない
が、転位を減ずることによつて均一性を高め、閾
値電圧Vthのバラツキを減ずる事はできる。
結晶の均一性を高めるために、アニーリングを
する、という事が試みられる。
ウエハにしてからアニールする場合もある。こ
れはウエハアニールと呼ぶ。
インゴツトのままアニールする場合もある。こ
れをインゴツトアニールと呼ぶ。
―族化合物半導体単結晶は族元素が高温
で解離しやすいので、アニール時には、V族元素
の逃げを防ぐ工夫が必要である。このため、ウエ
ハ、インゴツトに膜を付け、この状態でアニール
する事がある。
V族気体中でアニールし、V族気体の分圧を平
衡させて族元素の揮散を防ぐこともある。ま
た、窒素ガスなどで高圧を掛けてアニールするこ
ともある。
ウエハアニールによつて、ウエハ面内のVthの
バラツキが低減した、という報告がある。インゴ
ツトアニールにしても、ウエハ面における均一性
の向上が、直接の目的である。
ウエハの上に多数の集積回路を作るが、この単
位となる集積回路の特性値のバラつきが問題にな
ることが多かつたからである。したがつてインゴ
ツトアニールの場合でも、インゴツト軸方向の均
一性の向上、という事を目的にはしていなかつ
た。
そのため、インゴツトアニールの場合、引上げ
た結晶をそのままの大きさでアニールするのでは
なく、小さく輪切りにしてアニールすることが多
い。アニールのための容器のサイズの制限もあ
り、被膜を表面に付けることもあつて、インゴツ
トサイズが小さく、形状のそろつているものの方
が取扱い易いからである。
ここで軸方向という言葉について定義する。
LEC法で成長させた結晶の場合、上軸、下軸が
鉛直方向にあり、結晶も鉛直方向に伸びる。結晶
の成長してゆく方向が軸方向である。
インゴツトを軸に垂直にスライスしてウエハと
する場合、ウエハ面は軸方向と直角になる。しか
し、ウエハは必ずしも軸に対して直角に切断する
とは限らない。この場合、ウエハ面の分布と、軸
方向の分布というのは直交軸間の分布ではない。
しかし、ウエハは必ず軸を切るようにスライス
するのであるから、面方向と、軸方向というのは
必ず区別することができる。
HB法で作つたインゴツトの場合、軸方向とい
うのは、ボートに沿う方向である。ウエハは軸に
対して斜めに切る事が多いので、ウエハ面方向と
軸方向は直角でないことが多い。しかし、いずれ
にしても区別する事ができる。
軸方向の場所を特定するために、種結晶に近い
方をフロント部、種結晶と反対側をバツク部とい
う。中間は中間部ということにする。
また、インゴツトをある方向に切断してはじめ
て面が現われるのであるから、インゴツトを切断
する前に面は存在しない。インゴツトのままアニ
ールする場合、面方向というのは未だ存在しない
面について述べる事になる。しかし切断すべき面
の方位は分つているのであるから、面方向という
言葉自体は十分に定義できる。
そこで、本発明の記述に於て、インゴツトの状
態であつても、面方向という言葉を使うが、これ
は、この面が既にどこかに存在している、という
事を意味しない。
(ウ) 目的
GaAs単結晶のアニーリング法であつて、単結
晶の面方向だけでなく、軸方向にも電気的特性が
均一な単結晶を製造する方法を与えることが本発
明の目的である。
(エ) 本発明の方法
半絶縁性アンドープLEC法GaAsを例にとつて
説明する。これはFETの基板として用いるため
のものである。
GaAs単結晶の中には、“EL2”と呼ばれる深い
不純物準位と、浅い不純物準位(ドナー準位であ
ることもアクセプタ準位であることもある)があ
る。これら2つの不純物準位の微視的、および巨
視的な分布の均一性が、GaAs単結晶の電気的均
一性を支配している。
巨視的に見れば、“EL2”準位の濃度はウエハ
面内で、W型分布をしており、4回対称性を持つ
ている。これは、結晶欠陥の一種である転位のマ
クロな密度分布とよく対応している。このため、
比抵抗、キヤリヤ移動度などの電気的特性の分布
も、巨視的には、W型分布(或は逆W型分布)で
4回対称性を示す。
このような事は、D.E.Holmes et al.“Contour
maps of EL2 deep level in liquid−
encapsulated Czochralski GaAs”J.Appl.Phys.
55(1984)pp3588に記述がある。
“EL2”濃度は、インゴツト軸方向、面方向に
バラツキをもつている。また、インゴツト間の濃
度、分布のバラツキも大きい。EL2濃度のバラツ
キが、電気的特性の不均一性の原因となつてい
る。
一方、転位の発生は、その結晶が成長中に、あ
るいは冷却中に受けた熱環境に依存している。つ
まり、転位密度分布は、結晶が受けた熱ヒステリ
シスを表わしている、と考えられる。
“EL2”の起源としては、「Asの集合体」
(EL2Family)説が有力になつてきた。これは、
M.Taniguchi et al.“Spectral distribution of
photoquenching rate and multistable states
for midgap electron traps(EL2family)in
GaAs”Appl.Phys.Lett.45,69(1984)に述べら
れている。
EL2の起源について未だ確定的な説はなく、酸
素原子が作るるレベルという説もあり、Gaサイ
トをAsで置換したことによつてできるレベルと
いう説もある。しかし、「Asの集合体」説が有力
であるように思われる。
インゴツトアニールにより、“EL2”の数は減
少しないが、分布が一様になる、という事が報告
されている。D.Rumsby et al.“IMPROVED
UNIFORMITY OF LEC UNDOPED
GALLIUM ARSENIDE PRODUCED BY
HIGH TEMPERATURE ANNEALING”
GaAs IC Symposium (1983)IEEE p.34〜
p.37。
これによると、700℃〜1000℃の温度範囲で6
〜60時間GaAsインゴツトをアニールすると、
EL2濃度が均一になり、12×1015cm-3程度になる
という事である。
転位とEL2の関係は簡単ではない。
無転位結晶の場合、EL2濃度は均一でしかも低
く4×1015cm-3程度である。
ブリツジマン法で作つたEPDが104cm-2程度の
GaAsは、LEC法GaAsと同じく12×1015cm-3程度
のEL2濃度を持つている。
つまり、転位の量とEL2の濃度は比例していな
い。しかし、無転位(InドープLEC)GaAsで
は、EL2の濃度が約1/3になつている。
これらのインゴツトを不活性ガス中で、前記の
条件でアニールすると、EL2の分布は均一にな
る。しかも濃度が12×1015cm-3になる。無転位
GaAs結晶についていえば、これはEL2濃度がア
ニールによつて、3倍に増えている、という事を
意味する。
LECGaAs、HB GaAsともに、アニール前は
EL2濃度がW分布をし、4回対称性をもつてい
る。
Inドープ無転位GaAsでは、EL2濃度は低く均
一である。
これらのインゴツトをアニールすると、EL2濃
度は、いずれのインゴツトに於ても均一化する。
W分布が消失し、4回対称性もみられなくなる、
しかも、EL2濃度がどのようなインゴツトについ
てもほぼ同じ値12×1015cm-3になる。
しかし、アニールによつて転位は不変である。
転位は消失、減少しないし、増加もしない。
FETの電気的特性を決定する閾値電圧Vthの値
はEL2の分布による、という事は既にのべた。
EL2の分布だけによるのでないが、これが有力な
相関を持つているらしい。
EL2の濃度の大小はたいして重要でなく、濃度
のゆらぎが問題なのである。
インゴツトは面方向にも軸方向にも転位密度が
変化する。同様にEL2分布も面方向、軸方向に変
動している。
もしも、インゴツトが無転位部分を含むとすれ
ば、EL2濃度の平均値も軸方向に関して、変動し
ている事になる。EL2濃度がFETにした場合の
閾値電圧に強い関係を持つているから、そのよう
なインゴツトから切り出したウエハの上にFET
を作つた場合、閾値電圧が、ウエハ面内だけでな
く、ウエハ間でもバラツクことになる。インゴツ
トのフロント部分から取つたウエハと、バツク部
分から取つたウエハでは、閾値電圧のウエハ面内
の分布の全体が上下に喰い違うことになる。
ところが、前述のように、GaAsインゴツトを
アニールすると、EL2濃度の分布が平坦になり、
しかも、アニール前のEPDの高下に拘わらず、
EL2濃度の平均値はほぼ一定になる、という事が
報告されている。
これは不思議な事である。
アニールによつてEPDは減少しない。またエ
ツチピツトは4回対称性をもつている。この対称
性はアニールによつても失われない。
EL2濃度はアニール前に、エツチピツトと同じ
W型分布をし、4回対称性がある。ところが、イ
ンゴツトアニールによつてEL2濃度だけは、W型
分布を失い、4回対称性もなくなる、というので
ある。
この実験は、データの数が少いので、必ずしも
信頼できるものではない。しかしながら、EL2濃
度とEPD濃度に直接の関係はないという事をよ
り明確にしているようである。EL2濃度の測定は
既に述べたように、多くの研究者によつてなされ
ており、起源についても多様な説がある。
「Asの集合体」説が有力である、と思われる
が、これも決定的ではない。
そこで、本発明者は、結晶成長を終つた単結晶
を室温まで冷却する事なく、450℃〜550℃の温度
に一時的に冷却し、この後、不活性ガス、或は真
空中で700℃〜1000℃の温度範囲で6時間〜60時
間熱処理する、という方法を思いついた。
後半のアニーリングについては公知であつて、
雰囲気、温度、時間ともに既に試みられた事があ
る。
前段の処理は新規である。
これは、深い不純物準位である“EL2”を結晶
インゴツトの全体にわたつて形成するためであ
る。
LEC法であつても、HB法であつても、単結晶
を育成した後は、徐々に冷却してゆき、室温にし
て、炉の外部へ取り出す。つまり、いつたん室温
になるわけである。こうしなければ、必要な加工
をする事ができない。
インゴツトアニールと言つても、インゴツト全
体をアニールするわけではない。容器の制約も強
いから、数個に輪切りにし、これをカプセルに入
れて、真空中、又は窒素、アルゴンガス雰囲気中
で加熱する。
ところが、このようにすると必ずいつたん室温
に下さなければならない。
本発明者は、この時に、EL2分布がインゴツト
軸方向に関し不均一に発生するのだろうと考え
た。炉内での冷却過程中での温度分布は軸方向に
一様ではない。ヒーターの位置関係から、インゴ
ツトの内最初に固化した部分が低温で、最後に固
化した部分が高温になつている。
このような不均一温度の中で降温してゆくの
で、発生するEL2準位の量が軸方向に於て、大き
く異なることになる。
本発明では、室温まで下降せず、途中で冷却を
中止し、同じ炉内でアニールすることにより、
EL2準位の発生を最初からより均一にする事にね
らいがある。同じ炉内でアニールするから、この
炉は結晶成長炉とアニーリング装置とを兼ねてい
るのである。
温度下降を450℃〜550℃の範囲にするのは、こ
こでEL2準位を発生させるためである。次にアニ
ールするのは、こうしてできたEL2準位を再分布
させて均一にするためである。
450℃以下に下げると、EL2の不均等な発生が
起るので望ましくない。不均等な、というのは、
面方向ではなく軸方向にという事である。
前述の如く、EL2の形成上は、空孔、格子間原
子等の固有欠陥が大きく関与している。固有欠陥
の濃度、形態等は、ある温度においては、その熱
平衡状態になる。一般には、温度が高ければ固有
欠陥の濃度は高いし、温度が低ければ、その濃度
も低くなる。
すなわち、固化結晶を高い温度から冷却してゆ
くと、熱平衡濃度より過剰な固有欠陥は、折出、
ないしは別の形態に変化してゆく。
この変化の過程は、熱的に見て必ずしも可逆的
でない。
EL2形成に寄与する固有欠陥は、450℃以上で
は熱的に可逆過程にあるが、450℃以下に冷却す
ると非可逆過程の要素が大きくなる。
これが、EL2の不均等な分布につながる訳であ
る。
従つて、一度固化した結晶を450℃以下に下げ
ないことがポイントである。この点が従来の方法
のように、いつたん室温に下げるものと異なる。
550℃以下に下げないと、EL2準位が結晶中に
形成されない。これは、EL2を形成する固有欠陥
が、一度固化した結晶を550℃以下に下げないと
生成されないためである。しかし、EL2はいつた
ん形成されてしまうと後述の如く、700℃以上で
ないと、その形態変化はおきない。EL2準位が結
晶中になければ、アニーリングによつて、これを
再分布させる、という事ができない。
アニール温度についていえば、1000℃以上にす
ると結晶表面からの族元素の解離が激しくおこ
り、結晶の特性を劣化させる。また700℃以下で
あると、EL2準位の再分布は起らない。
(オ) 実施例
LEC法によつて成長させた低クロムドープ半
絶縁性GaAs結晶について本発明の方法を適用し
た。比較のため、本発明の方法を適用しない
GaAs結晶も作つた。ひとつのインゴツトの軸方
向の電気的特性と、これに加えて、インゴツト間
の電気的特性の差異を調べる必要がある。このた
め、それぞれ7つのインゴツトを作り、特性を比
較した。
閾値電圧Vthのバラツキを比較するのであるか
ら、インゴツトをウエハにし、ここへn領域を作
り、電極を付けて、C−V特性を測定して、ピン
チオフ電圧Vpを求めた。
本発明の方法を適用したGaAs単結晶は、まず
冷却について、450℃〜550℃まで冷却した。これ
はLEC装置の中で行なう。冷却中の結晶の温度
は上下でかなり値が異なるが、冷却ゾーンを囲む
ように断熱筒を設けるか、アフターヒーイング用
のヒータを用いれば、上下方向の温ば差を少なく
できる。
7つのインゴツトをNo.1〜No.7とする。
(1) No.1とNo.2は700℃で6時間アニーリング
(2) No.3とNo.4は700℃で12時間アニーリング
(3) No.5とNo.6は800℃で6時間アニーリング
(4) No.7は800℃で12時間アニーリング
というように温度と時間を設定した。これは
LEC装置で行うのであるから、結晶を引上げて
冷却する位置、またはそれより上に、別のアニー
リング用ヒータを設けて、これによつて結晶を加
熱する。これは前記のアフターヒータと兼用でき
る。この場合、結晶は上下に長いが、上下の温度
が同一になるように、ヒータの長さ、位置或は数
を設定する。
このような熱処理をした7本のインゴツトと、
熱処理をしていない他の7本のインゴツトについ
てピンチオフ電圧Vpを測定する。これを測定す
る手順は公知であつて、全て同じ手順である。
インゴツトをLEC装置から、取り出す。フロ
ント部で1枚、バツク部で1枚をサンプルとして
取り出す。インゴツトは全て直径が55mm(55±3
mm)で、長さは約50mmである。フロント部のサン
プルは結晶の上端から10mmの位置で切り出してい
る。バツク部のサンプルは上端から40mm(下端か
ら10mmの位置)で切り出している。
スライスしたウエハは、通常の処理を施し、ミ
ラーウエハとする。すなわち、ベベリング、エツ
チング、ラツピング、エツチング、ポリツシング
の工程を経て鏡面とする。
このウエハは半絶縁性であるが、Siイオンを
180KeVで加速し、3×1012cm-2の密度でイオン
注入し、n型層を形成した。
さらに、SiO2膜をCVD法により、2000〜3000
Å付着させ、窒素雰囲気中で820℃、20分のアニ
ーリングを行つた。これは、注入不純物の活性化
と、格子構造を回復するためである。イオン注入
後必ず行われるものであつて、インゴツトアニー
ルのように、電気的特性のバラツキを減少させる
のものではなく、時間も短い。
この後SiO2膜を除去する。金を蒸着し、直径
200μmφのシヨトキー電極を動作層の上に多数形
成した。
この電極を用いて、C−V測定を行つた。第2
図に示すようなC−V曲線が得られる。CのVに
対する勾配が大きくなる電圧Vpをピンチオフ電
圧Vpとした。
このようなデータはウエハ上の多くの点につい
て求めた。この電圧の平均値を、このウエハのピ
ンチオフ電圧Vpとする。
7つのインゴツトについてフロント部(S)と
バツク部(T)のウエハを切り出している。この
ピンチオフ電圧のウエハ上での平均値を第1図a
に示す。横軸はウエハNo.である。Sはフロント、
Tはバツクより取つたウエハに対応している。縦
軸はピンチオフ電圧Vpである。第1図aは本発
明による冷却、アニール処理を受けたインゴツト
から取つたウエハに対するピンチオフ電圧の平均
値を白丸で示している。簡単に対応関係を示すた
め、その直下にアニーリング温度、アニーリング
時間を記した。ピンチオフ電圧は−4.1〜−5.4V
の間にある。
比較のために、本発明の方法を適用しなかつた
7つのインゴツトNo.8〜No.14についても同様にミ
ラーウエハにし、Siをドープして動作層を作り、
ピンチオフ電圧を測定した。
この結果を第1図bに示している。Sはフロン
ト、Tはバツクから切り出したウエハである。同
様に、ウエハにおける多数の測定点でピンチオフ
電圧Vpを測定し、この平均値を求めている。こ
れを黒丸で示しているが、ピンチオフ電圧は−
3.8V〜−6.43Vの間にある。
本発明の方法によつて改良されたインゴツトか
ら作られたn層のピンチオフ電圧Vpの方が、バ
ラツキが少ないという事が分る。
No.1、No.5、No.6などから、Vpのフロントと
バツクの差が減る、という傾向が明らかになる。
もつと驚くべきことは、インゴツト間のVpの
差が小さくなる、という事である。
本発明の方法を適用しなかつたNo.9とNo.11とで
は、約2.6Vのピンチオフ電圧の差がある。これ
に対し、本発明を適用したものの中では、No.2と
No.7で最大の差があるが、それでも1.3Vにすぎ
ない。
(カ) 効果
(1) インゴツトの軸方向に電気的特性の一様な単
結晶を作る事ができる。
(2) 異なるインゴツト間で、電気的特性がほぼ一
様になるようにする事ができる。インゴツト対
インゴツトで電気的特性が安定するので、再現
性よくFET基板材料を作ることができる。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (A) Technical Field The present invention relates to a method for improving the uniformity of the axial properties of GaAs single crystal ingots and achieving this with good reproducibility between ingots. (a) Conventional technology GaAs single crystal is manufactured by horizontal Bridgeman method (HB)
Alternatively, it is often manufactured using the liquid capsule method (LEC). The manufactured single crystal ingot contains many crystal defects. Defects are often evaluated using etched pit density (EPD). The ingot is sliced into wafers, which are etched and the etch pits that appear on the surface are counted to evaluate the degree of defects contained in the single crystal. Etchi pits are dislocations that appear on the cut surface of the wafer, and are therefore a measure of lattice defects. Although the LEC method and the HB method are industrially superior methods, single crystals produced by these methods often still have many defects. For example, in the case of a GaAs single crystal with a diameter of 50 mm or more made by the LEC method,
The EPD ranges from 104 cm -2 to 5× 105 cm -2 . Furthermore, the tips are unevenly distributed.
Even when viewed within the wafer plane, it is most common at the outer periphery, followed by the center. The distance from the center will be less. It has a W-shaped distribution. This is a problem of the in-plane chip distribution. Added to this is the axial non-uniformity of the ingot. In the case of single crystals made by the LEC method, the EPD is relatively low at the front near the seed crystal, but increases as the distance from the seed crystal increases. Field-effect transistors (FETs) can be made from GaAs single-crystal wafers. In this case, the threshold voltage Vth, which determines whether switching is turned on or off, becomes an important parameter. Although it is desirable that Vth be constant, it is normal that it fluctuates even within a wafer. It has been pointed out that there is a strong correlation between the non-uniformity of the threshold voltage Vth and the distribution of EPD. For example, Miyazawa et al. Applied Physics Vol. 52 No. 3 (1983)
Page 227 describes the correlation between Vth and EPD. As with EPD, non-uniformity in Vth includes non-uniformity within the wafer plane and non-uniformity across the wafer in the axial direction of the ingot. Although reducing dislocations is not completely equivalent to reducing variations in Vth, it is possible to improve uniformity and reduce variations in threshold voltage Vth by reducing dislocations. Annealing has been attempted to improve the uniformity of the crystal. In some cases, the wafer is made into a wafer and then annealed. This is called wafer annealing. In some cases, the ingot is annealed. This is called ingot annealing. Since group elements in single crystals of - group compound semiconductors tend to dissociate at high temperatures, it is necessary to take measures to prevent group V elements from escaping during annealing. For this reason, a film is sometimes attached to the wafer or ingot and annealed in this state. Annealing may be performed in a group V gas to balance the partial pressure of the group V gas and prevent volatilization of group elements. Alternatively, annealing may be performed by applying high pressure with nitrogen gas or the like. There is a report that wafer annealing reduces the variation in Vth within the wafer surface. The direct objective of ingot annealing is to improve uniformity on the wafer surface. This is because a large number of integrated circuits are manufactured on a wafer, and variations in the characteristic values of the unit integrated circuits often become a problem. Therefore, even in the case of ingot annealing, the aim was not to improve the uniformity in the axial direction of the ingot. Therefore, in the case of ingot annealing, the pulled crystal is not annealed as it is, but is often cut into small rings and annealed. This is because there are restrictions on the size of the container for annealing, and since a coating is sometimes applied to the surface, ingots that are small in size and have a uniform shape are easier to handle. Here, we will define the term axial direction.
In the case of a crystal grown using the LEC method, the upper and lower axes are vertical, and the crystal also extends in the vertical direction. The direction in which the crystal grows is the axial direction. When an ingot is sliced perpendicularly to the axis to form a wafer, the wafer surface is perpendicular to the axis. However, the wafer is not necessarily cut perpendicular to the axis. In this case, the distribution on the wafer surface and the distribution in the axial direction are not distributions between orthogonal axes. However, since wafers are always sliced along their axis, it is always possible to distinguish between the planar direction and the axial direction. In the case of ingots made by the HB method, the axial direction is the direction along the boat. Since wafers are often cut obliquely to the axis, the wafer surface direction and the axis direction are often not perpendicular. However, in any case, a distinction can be made. To identify the location in the axial direction, the side closest to the seed crystal is called the front part, and the side opposite to the seed crystal is called the back part. The middle part will be called the middle part. Furthermore, since the surfaces appear only when the ingot is cut in a certain direction, the surfaces do not exist before the ingot is cut. When annealing is performed as an ingot, the plane direction refers to a plane that does not yet exist. However, since the direction of the plane to be cut is known, the term plane direction itself can be sufficiently defined. Therefore, in the description of the present invention, the term surface direction is used even in the ingot state, but this does not mean that this surface already exists somewhere. (c) Purpose It is an object of the present invention to provide a GaAs single crystal annealing method for producing a single crystal with uniform electrical properties not only in the plane direction but also in the axial direction. (d) Method of the present invention The method will be explained using semi-insulating undoped LEC GaAs as an example. This is to be used as a FET substrate. Inside a GaAs single crystal, there is a deep impurity level called "EL2" and a shallow impurity level (sometimes a donor level or an acceptor level). The uniformity of the microscopic and macroscopic distribution of these two impurity levels governs the electrical uniformity of the GaAs single crystal. Macroscopically, the concentration of the "EL2" level has a W-shaped distribution within the wafer plane, and has four-fold symmetry. This corresponds well to the macroscopic density distribution of dislocations, which are a type of crystal defect. For this reason,
Macroscopically, the distribution of electrical properties such as resistivity and carrier mobility also exhibits four-fold symmetry with a W-shaped distribution (or inverse W-shaped distribution). This is explained by DE Holmes et al. “Contour
maps of EL2 deep level in liquid−
encapsulated Czochralski GaAs”J.Appl.Phys.
55 (1984) pp3588. The “EL2” concentration has variations in the axial and surface directions of the ingot. Furthermore, there are large variations in concentration and distribution between ingots. Variations in EL2 concentration are the cause of non-uniformity in electrical characteristics. On the other hand, the occurrence of dislocations depends on the thermal environment that the crystal receives during growth or cooling. In other words, the dislocation density distribution is considered to represent the thermal hysteresis experienced by the crystal. The origin of “EL2” is “aggregation of As”
(EL2Family) theory is becoming popular. this is,
M. Taniguchi et al. “Spectral distribution of
photoquenching rate and multistable states
for midgap electron traps (EL2family) in
GaAs” Appl. Phys. Lett. 45 , 69 (1984). There is still no definitive theory about the origin of EL2, and there is also a theory that it is created by oxygen atoms, and that GaAs is substituted with As. There is also a theory that it is a level formed by As. It has been reported that by ingot annealing, the number of "EL2" does not decrease, but the distribution becomes uniform. D. Rumsby et al. “IMPROVED
UNIFORMITY OF LEC UNDOPED
GALLIUM ARSENIDE PRODUCED BY
HIGH TEMPERATURE ANNEALING”
GaAs IC Symposium (1983) IEEE p.34~
p.37. According to this, in the temperature range of 700℃~1000℃
Annealing the GaAs ingot for ~60 hours yields
This means that the EL2 concentration becomes uniform and becomes about 12×10 15 cm -3 . The relationship between dislocation and EL2 is not simple. In the case of a dislocation-free crystal, the EL2 concentration is uniform and low, about 4×10 15 cm -3 . The EPD made by the Bridziman method is about 10 4 cm -2.
GaAs has an EL2 concentration of about 12×10 15 cm -3 like LEC GaAs. In other words, the amount of dislocations and the concentration of EL2 are not proportional. However, in dislocation-free (In-doped LEC) GaAs, the EL2 concentration is about 1/3. When these ingots are annealed in an inert gas under the above conditions, the distribution of EL2 becomes uniform. Moreover, the concentration becomes 12×10 15 cm -3 . No dislocation
For GaAs crystals, this means that the EL2 concentration increases by a factor of three upon annealing. For both LECGaAs and HB GaAs, before annealing
The EL2 concentration has a W distribution and has 4-fold symmetry. In In-doped dislocation-free GaAs, the EL2 concentration is low and uniform. When these ingots are annealed, the EL2 concentration becomes uniform in all ingots.
The W distribution disappears and the 4-fold symmetry is no longer observed.
Moreover, the EL2 concentration of any ingot is approximately the same, 12×10 15 cm -3 . However, dislocations are unchanged by annealing.
Dislocations do not disappear, decrease, or increase. It has already been mentioned that the value of the threshold voltage Vth, which determines the electrical characteristics of the FET, depends on the distribution of EL2.
This does not depend solely on the distribution of EL2, but this seems to have a strong correlation. The magnitude of the concentration of EL2 is not very important, but the fluctuation of the concentration is the problem. The dislocation density of an ingot changes both in the planar and axial directions. Similarly, the EL2 distribution also fluctuates in the planar and axial directions. If the ingot contains dislocation-free portions, the average value of the EL2 concentration will also vary in the axial direction. Since the EL2 concentration has a strong relationship with the threshold voltage when used as an FET, an FET is placed on a wafer cut from such an ingot.
When creating a wafer, the threshold voltage varies not only within the wafer but also between wafers. A wafer taken from the front part of the ingot and a wafer taken from the back part have vertically different distributions of threshold voltage across the wafer surface. However, as mentioned above, when the GaAs ingot is annealed, the EL2 concentration distribution becomes flat and
Moreover, regardless of the level of EPD before annealing,
It has been reported that the average value of EL2 concentration remains almost constant. This is strange. Annealing does not reduce EPD. Also, the etchipite has a four-fold symmetry. This symmetry is not lost even after annealing. Before annealing, the EL2 concentration has a W-shaped distribution similar to that of the etching pit, and has a 4-fold symmetry. However, due to ingot annealing, only the EL2 concentration loses its W-shaped distribution and the 4-fold symmetry. This experiment is not necessarily reliable because the amount of data is small. However, it seems to make it clearer that there is no direct relationship between EL2 and EPD concentrations. As mentioned above, the measurement of EL2 concentration has been carried out by many researchers, and there are various theories regarding its origin. The theory of "aggregation of As" seems to be the most likely, but this is also not conclusive. Therefore, the present inventor temporarily cooled the single crystal after crystal growth to a temperature of 450°C to 550°C without cooling it to room temperature, and then heated it to 700°C in an inert gas or vacuum. We came up with a method of heat treatment at a temperature range of ~1000℃ for 6 to 60 hours. The latter half of the annealing is publicly known,
Atmosphere, temperature, and time have already been tried. The first stage of processing is new. This is to form a deep impurity level "EL2" throughout the crystal ingot. Regardless of the LEC method or the HB method, after a single crystal is grown, it is gradually cooled down to room temperature and taken out of the furnace. In other words, it will soon reach room temperature. If you don't do this, you won't be able to perform the necessary processing. Even though it is called ingot annealing, it does not mean that the entire ingot is annealed. Since the container is very restrictive, it is sliced into several pieces, placed in a capsule, and heated in a vacuum or in a nitrogen or argon gas atmosphere. However, when you do this, you always have to bring it down to room temperature. The inventor thought that at this time, the EL2 distribution would occur non-uniformly in the axial direction of the ingot. The temperature distribution during the cooling process in the furnace is not uniform in the axial direction. Due to the location of the heaters, the first part of the ingot to solidify is at a low temperature, and the last part to solidify is at a high temperature. Since the temperature decreases in such a non-uniform temperature, the amount of generated EL2 level varies greatly in the axial direction. In the present invention, cooling is not lowered to room temperature, cooling is stopped midway, and annealing is performed in the same furnace.
The aim is to make the generation of the EL2 level more uniform from the beginning. Since the annealing is performed in the same furnace, this furnace doubles as a crystal growth furnace and an annealing device. The reason why the temperature is lowered to a range of 450°C to 550°C is to generate the EL2 level here. The purpose of annealing next is to redistribute the EL2 levels created in this way and make them uniform. Lowering the temperature below 450°C is undesirable because it causes uneven generation of EL2. Unequal means
This means in the axial direction, not in the planar direction. As mentioned above, intrinsic defects such as vacancies and interstitial atoms are largely involved in the formation of EL2. The concentration, morphology, etc. of intrinsic defects reach their thermal equilibrium state at a certain temperature. Generally, the higher the temperature, the higher the concentration of intrinsic defects, and the lower the temperature, the lower the concentration. In other words, when the solidified crystal is cooled from a high temperature, the intrinsic defects in excess of the thermal equilibrium concentration are precipitated,
Or change into another form. This process of change is not necessarily reversible from a thermal point of view. The intrinsic defects that contribute to EL2 formation are in a thermally reversible process above 450°C, but when cooled below 450°C, the irreversible process becomes larger. This leads to an uneven distribution of EL2. Therefore, it is important not to lower the temperature below 450°C once the crystals have solidified. This point differs from the conventional method, which involves simply lowering the temperature to room temperature. Unless the temperature is lowered to below 550°C, the EL2 level will not be formed in the crystal. This is because the inherent defects that form EL2 are not generated unless the temperature of the crystal, once solidified, is lowered to below 550°C. However, once EL2 is formed, its form does not change unless the temperature is above 700°C, as described below. If the EL2 level is not present in the crystal, it cannot be redistributed by annealing. Regarding the annealing temperature, if it is set to 1000°C or higher, the group elements will be violently dissociated from the crystal surface, which will deteriorate the properties of the crystal. Furthermore, if the temperature is below 700°C, redistribution of the EL2 level does not occur. (E) Example The method of the present invention was applied to a low chromium-doped semi-insulating GaAs crystal grown by the LEC method. For comparison, the method of the present invention is not applied.
They also made GaAs crystals. It is necessary to investigate the axial electrical properties of one ingot, as well as the differences in electrical properties between ingots. For this reason, seven ingots were made and their properties were compared. Since the variation in the threshold voltage Vth was to be compared, the ingot was used as a wafer, an n region was formed thereon, an electrode was attached thereto, the CV characteristics were measured, and the pinch-off voltage Vp was determined. The GaAs single crystal to which the method of the present invention was applied was first cooled to 450°C to 550°C. This is done inside the LEC device. The temperature of the crystal during cooling differs considerably between the top and bottom, but the difference in temperature between the top and bottom can be reduced by providing an insulating tube surrounding the cooling zone or by using an after-heating heater. The seven ingots are numbered No. 1 to No. 7. (1) No.1 and No.2 are annealed at 700℃ for 6 hours (2) No.3 and No.4 are annealed at 700℃ for 12 hours (3) No.5 and No.6 are annealed at 800℃ for 6 hours Annealing (4) For No. 7, the temperature and time were set to be annealing at 800°C for 12 hours. this is
Since this is carried out using an LEC device, another annealing heater is provided at or above the position where the crystal is pulled up and cooled, and the crystal is heated by this. This can also be used as the above-mentioned after-heater. In this case, although the crystal is vertically long, the length, position, or number of the heaters are set so that the temperatures at the top and bottom are the same. Seven ingots that were heat-treated in this way,
Measure the pinch-off voltage V p of the other seven ingots that have not been heat treated. The procedure for measuring this is well known and all procedures are the same. Take out the ingot from the LEC device. Take out one sample from the front section and one sample from the back section. All ingots have a diameter of 55mm (55±3
mm), and the length is approximately 50 mm. The front sample was cut out 10 mm from the top of the crystal. The back sample was cut out 40mm from the top edge (10mm from the bottom edge). The sliced wafer is subjected to normal processing to become a mirror wafer. That is, it is made into a mirror surface through the processes of beveling, etching, wrapping, etching, and polishing. This wafer is semi-insulating, but contains Si ions.
Ions were implanted at a density of 3×10 12 cm −2 under acceleration of 180 KeV to form an n-type layer. Furthermore, the SiO 2 film was deposited at 2000 to 3000 using the CVD method.
Å was deposited, and annealing was performed at 820°C for 20 minutes in a nitrogen atmosphere. This is to activate the implanted impurities and restore the lattice structure. This is always performed after ion implantation, and unlike ingot annealing, it does not reduce variations in electrical characteristics and takes a short time. After this, the SiO 2 film is removed. Deposited gold, diameter
A large number of Schottky electrodes with a diameter of 200 μm were formed on the active layer. CV measurement was performed using this electrode. Second
A CV curve as shown in the figure is obtained. The voltage V p at which the slope of C with respect to V becomes large was defined as the pinch-off voltage V p . Such data was obtained for many points on the wafer. The average value of this voltage is defined as the pinch-off voltage V p of this wafer. Wafers of the front part (S) and the back part (T) are cut out from seven ingots. The average value of this pinch-off voltage on the wafer is shown in Figure 1a.
Shown below. The horizontal axis is the wafer number. S is for front;
T corresponds to the wafer taken from the back. The vertical axis is the pinch-off voltage V p . FIG. 1a shows, as white circles, the average pinch-off voltage for wafers taken from ingots that have been cooled and annealed according to the present invention. In order to easily show the correspondence, the annealing temperature and annealing time are written directly below it. Pinch-off voltage is −4.1 to −5.4V
It's between. For comparison, seven ingots No. 8 to No. 14 to which the method of the present invention was not applied were similarly made into mirror wafers, doped with Si to form an active layer, and
Pinch-off voltage was measured. The results are shown in Figure 1b. S is a wafer cut from the front, and T is a wafer cut from the back. Similarly, the pinch-off voltage V p is measured at a large number of measurement points on the wafer, and the average value is calculated. This is shown as a black circle, and the pinch-off voltage is −
It is between 3.8V and -6.43V. It can be seen that the pinch-off voltage V p of the n-layer made from the ingot improved by the method of the present invention has less variation. From No. 1, No. 5, No. 6, etc., it becomes clear that the difference between the front and back of V p is decreasing. What is surprising is that the difference in V p between ingots becomes smaller. There is a difference in pinch-off voltage of about 2.6V between No. 9 and No. 11 to which the method of the present invention was not applied. On the other hand, among those to which the present invention is applied, No. 2
No. 7 has the largest difference, but it is still only 1.3V. (f) Effects (1) A single crystal with uniform electrical properties can be produced in the axial direction of the ingot. (2) Electrical characteristics can be made almost uniform between different ingots. Since the electrical characteristics are stable from one ingot to another, FET substrate materials can be made with good reproducibility.
第1図aは本発明の方法で作つたCrドープ
GaAsインゴツトのフロント部S、バツク部Tに
於けるピンチオフ電圧の平均値を白丸で記した
図。インゴツトは7本あつて、No.1〜No.7の番号
を附した。下にアニーリング条件を記してある。
第1図bは従来法で作つた7本のCrドープGaAs
インゴツトのフロント部S、バツク部Tに於ける
ピンチオフ電圧の平均値を黒丸で示した図であ
る。インゴツトにはNo.8〜No.14の番号を附した。
第2図はC−V曲線からピンチオフ電圧Vpを求
める方法を説明するグラフ。
Figure 1a shows a Cr-doped sample made by the method of the present invention.
The figure shows the average value of the pinch-off voltage in the front part S and back part T of a GaAs ingot with white circles. There were seven ingots, numbered No. 1 to No. 7. The annealing conditions are listed below.
Figure 1b shows seven Cr-doped GaAs made using the conventional method.
It is a diagram in which the average value of the pinch-off voltage at the front part S and back part T of the ingot is shown by black circles. The ingots were numbered No. 8 to No. 14.
FIG. 2 is a graph explaining the method of determining the pinch-off voltage V p from the CV curve.
Claims (1)
成長装置内に於て450℃〜550℃の温度に冷却し、
この後不活性ガス雰囲気中あるいは真空中で700
℃〜1000℃の温度範囲に於て6時間以上60時間以
下熱処理する事を特徴とする均一な特性を有する
GaAs単結晶の製造方法。1 Cool the GaAs single crystal ingot after crystal growth to a temperature of 450°C to 550°C in a crystal growth apparatus,
After this, 700 minutes in an inert gas atmosphere or vacuum.
It has uniform properties characterized by heat treatment in the temperature range from ℃ to 1000℃ for 6 hours or more and 60 hours or less.
Method of manufacturing GaAs single crystal.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12930485A JPS61286300A (en) | 1985-06-13 | 1985-06-13 | Preparation of compound semiconductor single crystal having uniform characteristic |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12930485A JPS61286300A (en) | 1985-06-13 | 1985-06-13 | Preparation of compound semiconductor single crystal having uniform characteristic |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61286300A JPS61286300A (en) | 1986-12-16 |
JPS6358800B2 true JPS6358800B2 (en) | 1988-11-16 |
Family
ID=15006253
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP12930485A Granted JPS61286300A (en) | 1985-06-13 | 1985-06-13 | Preparation of compound semiconductor single crystal having uniform characteristic |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPS61286300A (en) |
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JPH0787187B2 (en) * | 1987-08-13 | 1995-09-20 | 古河電気工業株式会社 | Method for manufacturing GaAs compound semiconductor substrate |
JPH0699235B2 (en) * | 1988-03-16 | 1994-12-07 | 株式会社ジャパンエナジー | Method for producing compound semiconductor single crystal |
JPH03193699A (en) * | 1989-12-21 | 1991-08-23 | Sumitomo Metal Mining Co Ltd | Pretreating for cutting out wafer of gallium phosphide single crystal |
-
1985
- 1985-06-13 JP JP12930485A patent/JPS61286300A/en active Granted
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Publication number | Publication date |
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JPS61286300A (en) | 1986-12-16 |
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