JP4843929B2

JP4843929B2 - ＧａＡｓ結晶の熱処理方法およびＧａＡｓ結晶基板

Info

Publication number: JP4843929B2
Application number: JP2004306718A
Authority: JP
Inventors: 大介佐藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP2006117464A

Description

本発明は、各種電子素子の基板などに用いられるＧａＡｓ結晶の熱処理方法およびその熱処理方法により得られたＧａＡｓ結晶基板に関する。

半絶縁性ＧａＡｓ結晶は、高速動作および低消費電力を必要とする電子デバイス用の基板材料として用いられている。かかるＧａＡｓ結晶の結晶面内における結晶特性のばらつきが大きいと、そのＧａＡｓ結晶を用いて作製された電子デバイスのデバイス特性のばらつきも大きくなり、電子デバイスの歩留まりが低下する。

このため、結晶特性のばらつきを低減させるために、結晶成長後のＧａＡｓ結晶インゴットまたはＧａＡｓ結晶ウエハに熱処理を行なうことが提案されている。現在までに、炭素濃度が０．５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜２．５×１０¹⁵ｃｍ^-3で、１．５×１０⁷Ω・ｃｍ程度の比抵抗を有するＧａＡｓ結晶について、所定の条件の熱処理を行なうことにより、比抵抗の面内分布のばらつきを１０％未満とすることが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

しかしながら、電子デバイスにおいてより高速動作化、低消費電力化が求められ、半絶縁性ＧａＡｓ結晶にもより高い比抵抗が求められている。ＧａＡｓ結晶の比抵抗を高くするほど、ＧａＡｓ結晶中のキャリア濃度は低くなるため、ＧａＡｓ結晶内における比抵抗のばらつき、キャリアの移動度のばらつきなどが大きくなる。

特に、比抵抗が従来よりも１桁以上高い１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍのような半導体領域から絶縁体領域に位置する半絶縁性ＧａＡｓ結晶において、比抵抗のばらつきおよびキャリア移動度のばらつきを低減する方法については、今まで知られていなかった。
特開平１１−２６８９９７号公報

上記状況に鑑みて、本発明は、比抵抗が１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍのような高い比抵抗を有するＧａＡｓ結晶の結晶主面に平行な面内における比抵抗値および／またはキャリア移動度のばらつきを低減するために、このＧａＡｓ結晶を熱処理する方法およびこの熱処理によって得られるＧａＡｓ結晶基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、縦型ブリッジマン法および縦型温度傾斜法のいずれかにより成長させた、比抵抗が１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍかつ炭素濃度が５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3のＧａＡｓ結晶を、８００℃〜１０００℃で１０時間〜５０時間熱処理することにより、結晶主面に平行な面内における比抵抗のばらつきが１０％未満となるＧａＡｓ結晶の熱処理方法である。ここで、比抵抗のばらつきとは、比抵抗の平均値に対する標準偏差の百分率（１００×標準偏差／平均値）をいう。

本ＧａＡｓ結晶の熱処理方法において、熱処理の時間を２０時間〜５０時間とすることができる。また、縦型ブリッジマン法および縦型温度傾斜法のいずれかにおけるＧａＡｓ結晶の成長条件は、融液側の温度勾配を１〜２℃／ｃｍとし、結晶側の温度勾配を５〜６℃／ｃｍとすることができる。また、熱処理を不活性ガス雰囲気下または減圧雰囲気下で行なうことができる。また、ＧａＡｓ結晶は、本熱処理を行なうことにより、結晶主面に平行な面内におけるキャリア移動度のばらつきを１０％未満とすることができる。ここで、キャリア移動度のばらつきとは、キャリア移動度の平均値に対する標準偏差の百分率（１００×標準偏差／平均値）をいう。

また、本発明は、上記いずれかのＧａＡｓ結晶の熱処理方法により熱処理されて得られたＧａＡｓ結晶基板である。

上記のように、本発明によれば、比抵抗が１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍのような高い比抵抗を有するＧａＡｓ結晶であっても、結晶主面に平行な面内における比抵抗値および／またはキャリア移動度のばらつきを低減することができる。

本発明にかかるＧａＡｓ結晶の熱処理方法は、比抵抗が１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍのＧａＡｓ結晶を８００℃〜１０００℃で、１０時間〜５０時間熱処理する方法である。かかる条件の熱処理を施すことにより、比抵抗の高いＧａＡｓ結晶の結晶主面に平行な面内における比抵抗および／またはキャリア移動度のばらつきを低減することができる。

ここで、比抵抗が１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍのＧａＡｓ結晶は、その製造方法には特に制限はないが、以下の方法により得ることができる。たとえば、特開平１０−３６１９７号公報にも開示されているように、縦型ブリッジマン法（Vertical Bridgman method；以下、ＶＢ法という）、縦型温度傾斜法（Vertical Gradient Freeze method；以下、ＶＧＦ法という）などの結晶成長方法において、結晶成長容器内に種結晶、ＧａＡｓ原料および封止剤としての酸化ホウ素とともにドーパント原料として所定量のカーボンを収納し、炭素原子を含むＧａＡｓ融液を種結晶に接触させて形成し、このＧａＡｓ融液から種結晶上に炭素原子をドーパントとして含むＧａＡｓ結晶を成長させる。

ここで、炭素原子はアクセプターキャリアとして働き、ＧａＡｓ結晶内のドナーキャリア濃度（たとえば、ＥＬ２濃度）を低減するため、炭素原子をドーピングすることによりＧａＡｓ結晶の比抵抗を高めることができる。上記方法においては、ドーパント原料としてカーボンをＧａＡｓ原料に添加することによって、多量の炭素原子をＧａＡｓ結晶にドーピングすることができ、１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍの高い比抵抗を有するＧａＡｓ結晶の製造が可能となる。

上記のようにして得られた比抵抗が１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍのＧａＡｓ結晶を、８００℃〜１０００℃で、１０時間〜５０時間熱処理する。熱処理温度が８００℃未満であると比抵抗のばらつきの低減は小さく、処理温度が１０００℃を超えるとＥＬ２濃度などのドナーキャリア濃度が変動する。また、処理時間が１０時間未満であると比抵抗のばらつきの低減は小さく、処理時間が５０時間を超えても比抵抗のばらつきの低減は進まない。

本発明にかかるＧａＡｓ結晶の熱処理方法において、熱処理を行なう雰囲気には特に制限はないが、不活性ガス雰囲気下または減圧雰囲気下で行なうことが好ましい。不活性ガス雰囲気下または減圧雰囲気下で行なうことにより、ＧａＡｓ結晶の酸化劣化を低減することができる。ここで、不活性ガス雰囲気下における不活性ガスは、ＧａＡｓ結晶と反応しないガスであれば特に制限はないが、Ｎ₂ガス、Ａｒガスなどが好ましく用いられる。また、減圧雰囲気下における減圧度は、特に制限はないが、１０²Ｐａ〜１０⁴Ｐａが好ましく用いられる。

本発明にかかるＧａＡｓ結晶の熱処理の用いられるＧａＡｓ結晶は、その炭素濃度が５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3であることが好ましい。ＧａＡｓ結晶に炭素原子をドーピングして、ＧａＡｓ結晶の炭素濃度を５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3とすることにより、容易にＧａＡｓ結晶の比抵抗を１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍとすることができる。また、このときＧａＡｓ結晶のＥＬ２濃度は、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3〜１．５×１０¹⁶ｃｍ^-3となる。

本発明にかかる熱処理を行なうことにより、熱処理後のＧａＡｓ結晶の結晶主面に平行な面内における比抵抗のばらつきは１０％未満となる。ここで、ＧａＡｓ結晶の結晶主面とは、結晶における最大面をいい、基板または電子デバイスに用いられる際の基板の主面または電子デバイスの主面となる。

また、本発明にかかる熱処理を行なうことにより、熱処理後のＧａＡｓ結晶の結晶主面に平行な面内におけるキャリア移動度のばらつきは１０％未満となる。ここで、キャリア移動度μは、ＧａＡｓ結晶の主面に垂直の方向に電界Ｅをかけたときのキャリア速度Ｖとすると、μ＝Ｖ／Ｅ（単位：ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1）で与えられる。ここで、キャリアとは電気伝導に関わる電子および正孔をいう。

本発明に用いられるＧａＡｓ結晶においては、比抵抗とキャリア移動度とには大きな相関関係があって、比抵抗が１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍのとき、キャリア移動度は１×１０³ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1〜７×１０³ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1となる。また、本発明にかかる熱処理によって、比抵抗のばらつきが低減するとともに、キャリア移動度のばらつきも低減する。

上記のように、本発明にかかるＧａＡｓ結晶の熱処理により、比抵抗のばらつきおよびキャリア移動度のばらつきが低減したＧａＡｓ結晶基板が得られる。さらに、このＧａＡｓ結晶基板を用いた電子デバイスのデバイス特性のばらつきが低減し、電子デバイスの歩留まりが向上する。

また、上記ＧａＡｓ結晶基板を電子デバイスの基板などの用いる場合には、結晶のひずみの除去などのためにＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）などの熱処理を行なう場合があり、ＧａＡｓ結晶基板上に半導体層を形成させるためにＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＶＰＥ（Vapor Phase Epitaxy）法などを適用する場合がある。このような場合には、熱処理されたＧａＡｓ結晶が、その後のＲＴＡ、ＭＢＥなどにおいて、さらに熱処理されることになるが、本発明者は、ＲＴＡ、ＭＢＥなどにおける熱処理温度および熱処理時間が、本発明にかかる熱処理の熱処理温度および熱処理時間に比べて低温度および短時間である限り、ＧａＡｓ結晶の比抵抗およびキャリア移動度のばらつきは低く維持されることも確認した。

したがって、本発明にかかる熱処理を行なったＧａＡｓ結晶に対して、ＲＴＡを行なう場合は窒素雰囲気下で７００℃〜９００℃程度で１分間〜５分間程度の条件とすることが好ましく、ＭＢＥを行なう場合は減圧雰囲気下で５００℃〜７００℃程度で０．５時間〜２時間程度の条件とすることが好ましい。

以下の実施例および比較例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明する。

（比較例１）
ＶＢ法により、以下のようにして比抵抗の高いＧａＡｓ結晶を作製した。すなわち、結晶成長容器として内径１０．１６ｃｍ（４インチ）×高さ２０ｃｍのｐＢＮ（pyrolytic boron nitride）製の坩堝を用いて、この坩堝に、ＧａＡｓ種結晶と、ＧａＡｓ多結晶体（ＧａＡｓ結晶原料）と、カーボン（ドーパント原料）とを収納した。次に、１２４０℃以上に加熱して、ＧａＡｓ、Ｃ（炭素原子）およびＡｓを含む融液を、ＧａＡｓ種結晶に接触するように形成した。次に、この融液と結晶（ＧａＡｓ種結晶または成長させるＧａＡｓ結晶）との界面における結晶成長温度を１２３８℃、融液側の温度勾配を１〜２℃／ｃｍ、結晶側の温度勾配を５〜６℃／ｃｍとして、ＧａＡｓ単結晶を成長させた。結晶成長時間１００時間で、直径１０．１６ｃｍ（４インチ）×高さ２０ｃｍのＧａＡｓ結晶が得られた。

得られたＧａＡｓ結晶を厚さ６００μｍのＧａＡｓ結晶基板にスライスして、ＧａＡｓ結晶の中央部のＧａＡｓ結晶基板の炭素原子濃度を荷電粒子放射化分析法により測定したところ８．０×１０¹⁵ｃｍ^-3であり、ＥＬ２濃度を赤外光吸収法により測定したところ８．９×１０¹⁵ｃｍ^-3であった。

また、得られたＧａＡｓ結晶基板の面内において１０ｍｍピッチでそれぞれの位置における比抵抗をホール測定法により測定することにより、結晶主面に平行な面内における比抵抗のばらつきを算出した。上記比抵抗は平均値が５．５×１０⁸Ω・ｃｍ、標準偏差が１．２×１０⁸Ω・ｃｍであり、比抵抗のばらつきは２２％であった。

また、得られたＧａＡｓ結晶基板の面内において１０ｍｍピッチでそれぞれの位置におけるキャリア移動度をホール測定法により測定することにより、結晶主面に平行な面内におけるキャリア移動度のばらつきを算出した。上記キャリア移動度は平均値が３．４×１０³ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1、標準偏差が７．６×１０²ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1であり、キャリア移動度のばらつきは２３％であった。結果を表１にまとめた。

（実施例１）
比較例１で得られたＧａＡｓ結晶を、９５０℃で２０時間の熱処理（本発明にかかる熱処理）を行なった。熱処理後のＧａＡｓ結晶を厚さ６００μｍのＧａＡｓ結晶基板にスライスして、ＧａＡｓ結晶の中央部のＧａＡｓ結晶基板を取り出した。

得られたＧａＡｓ結晶基板の炭素原子濃度は８．０×１０¹⁵ｃｍ^-3であり、ＥＬ２濃度は１．２×１０¹⁶ｃｍ^-3であった。また、このＧａＡｓ結晶基板の面内において１０ｍｍピッチ毎の位置における比抵抗は、平均値が３．９×１０⁸Ω・ｃｍ、標準偏差が２．９×１０⁷Ω・ｃｍであり、結晶基板主面内における比抵抗のばらつきは７％であった。また、このＧａＡｓ結晶基板の面内において１０ｍｍピッチ毎の位置におけるキャリア移動度は、平均値が４．６×１０³ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1、標準偏差が１．７×１０²ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1であり、結晶基板主面内におけるキャリア移動度のばらつきは４％であった。結果を表１にまとめた。

（比較例２）
比較例１で得られたＧａＡｓ結晶基板に、さらに、窒素雰囲気下、８００℃、２分間の条件で、ＲＴＡを行なった。ＲＴＡ後のＧａＡｓ結晶基板の炭素原子濃度は８．０×１０¹⁵ｃｍ^-3であり、ＥＬ２濃度は１．２×１０¹⁶ｃｍ^-3であった。また、このＧａＡｓ結晶基板の面内において１０ｍｍピッチ毎の位置における比抵抗は、平均値が４．４×１０⁸Ω・ｃｍ、標準偏差が７．１×１０⁷Ω・ｃｍであり、結晶基板主面内における比抵抗のばらつきは１６％であった。また、このＧａＡｓ結晶基板の面内において１０ｍｍピッチ毎の位置におけるキャリア移動度は、平均値が２．２×１０³ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1、標準偏差が９．４×１０²ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1であり、結晶基板主面内におけるキャリア移動度のばらつきは４３％であった。結果を表１にまとめた。

（実施例２）
実施例１で得られたＧａＡｓ結晶基板に、さらに、窒素雰囲気下、８００℃、２分間の条件で、ＲＴＡを行なった。ＲＴＡ後のＧａＡｓ結晶基板の炭素原子濃度は８．０×１０¹⁵ｃｍ^-3であり、ＥＬ２濃度は１．２×１０¹⁶ｃｍ^-3であった。また、このＧａＡｓ結晶基板の面内において１０ｍｍピッチ毎の位置における比抵抗は、平均値が３．５×１０⁸Ω・ｃｍ、標準偏差が３．０×１０⁷Ω・ｃｍであり、結晶基板主面内における比抵抗のばらつきは９％であった。また、このＧａＡｓ結晶基板の面内において１０ｍｍピッチ毎の位置におけるキャリア移動度は、平均値が３．６×１０³ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1、標準偏差が１．７×１０²ｃｍ²・Ｖ^-1・sec^-1であり、結晶基板主面内におけるキャリア移動度のばらつきは５％であった。結果を表１にまとめた。

表１において比較例１と実施例１とを対比すると、比抵抗の平均値が５．５×１０⁸Ω・ｃｍのＧａＡｓ結晶に本発明にかかる熱処理を行なうことにより、ＧａＡｓ結晶の結晶主面に平行な面内における比抵抗のばらつきは２２％から７％に低減し、キャリア移動度のばらつきは２３％から４％に低減した。このような比抵抗およびキャリア移動度のばらつき低減により、かかるＧａＡｓ結晶を基板として用いた電子デバイスのデバイス特性が著しく安定する。

また、比較例２と実施例２とを対比すると、本発明にかかる熱処理を行なわずにＲＴＡを行なったＧａＡｓ結晶基板においては、比抵抗のばらつきが１６％、キャリア移動度のばらつきが４３％であったのに対し、本発明にかかる熱処理を行なった後にＲＴＡを行なったＧａＡｓ結晶基板においては、比抵抗のばらつきが９％、キャリア移動度のばらつきが５％と、いずれもばらつきが低減した。

すなわち、実施例２に示すように、本発明をかかる熱処理を行なったＧａＡｓ結晶基板に、その熱処理温度よりも低い温度およびその熱処理時間よりも短い時間でＲＴＡを行なっても、ＧａＡｓ結晶基板の比抵抗およびキャリア移動度のばらつきは、本発明にかかる熱処理を行なわなかったＧａＡｓ結晶基板に比べて、低く維持された。同様に、本発明にかかる熱処理を行なったＧａＡｓ結晶基板に、その熱処理温度よりも低い温度およびその熱処理時間よりも短い時間でＭＢＥ成長と同一の熱履歴の熱処理を行なっても、ＧａＡｓ結晶基板の比抵抗およびキャリア移動度のばらつきは、本発明にかかる熱処理を行なわなかったＧａＡｓ結晶基板に比べて、低く維持された。

なお、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims

縦型ブリッジマン法および縦型温度傾斜法のいずれかにより成長させた、比抵抗が１×１０⁸Ω・ｃｍ〜８×１０⁸Ω・ｃｍかつ炭素濃度が５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3のＧａＡｓ結晶を、８００℃〜１０００℃で１０時間〜５０時間熱処理することにより、
結晶主面に平行な面内における比抵抗のばらつきが１０％未満となるＧａＡｓ結晶の熱処理方法。
前記熱処理の時間が２０時間〜５０時間である請求項１に記載のＧａＡｓ結晶の熱処理方法。
前記縦型ブリッジマン法および前記縦型温度傾斜法のいずれかにおける前記ＧａＡｓ結晶の成長条件は、融液側の温度勾配が１〜２℃／ｃｍであり、結晶側の温度勾配が５〜６℃／ｃｍである請求項１または請求項２に記載のＧａＡｓ結晶の熱処理方法。
前記熱処理は、不活性ガス雰囲気下または減圧雰囲気下で行なう請求項１から請求項３のいずれかに記載のＧａＡｓ結晶の熱処理方法。
前記熱処理後において、前記ＧａＡｓ結晶の結晶主面に平行な面内におけるキャリア移動度のばらつきが、１０％未満となる請求項１から請求項４のいずれかに記載のＧａＡｓ結晶の熱処理方法。
請求項１から請求項５のいずれかに記載のＧａＡｓ結晶の熱処理方法により熱処理されて得られたＧａＡｓ結晶基板。