專利名稱：半絕緣性GaAs晶片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半絕緣性GaAs晶片及其制造方法，尤其涉及通過規(guī)定晶片的位錯(cuò)密度(EPD腐蝕坑密度)及殘留應(yīng)力值，在使用GaAs晶片制造電子器件的過程中進(jìn)行的離子注入(ion implantation)后的活性化退火這樣的熱處理中，不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)位錯(cuò)的半絕緣性GaAs晶片及其制造方法。
背景技術(shù)：
作為半絕緣性GaAs晶片的制造方法，通常的方法有LEC法(液封直拉法)以及縱型熔融液法(垂直布里奇曼法(VB法)、垂直溫度梯度凝固法(VGF法))該兩種。下面，對(duì)各方法進(jìn)行說明。
參照?qǐng)D1說明采用LEC法的GaAs單晶的制造方法。
LEC法的GaAs單晶制造裝置1是具有作為爐體部分的腔2、用于直拉結(jié)晶的直拉軸3、作為原料容器的坩堝5、用于承受該坩堝的坩堝軸4的結(jié)構(gòu)。
采用LEC法的GaAs單晶的制造方法中，首先在作為原料容器的坩堝5(坩堝的材質(zhì)通常是使用PBN)中，加入Ga和As以及作為As的防揮發(fā)材料的三氧化硼6，將其放置到腔2內(nèi)。并且，在直拉軸3的前端安設(shè)將成為結(jié)晶基礎(chǔ)的籽晶7。該籽晶7通常是以與GaAs熔融液接觸的面作為(100)面。
將原料放置到腔2內(nèi)后，對(duì)腔2內(nèi)抽真空，填充惰性氣體。然后，使設(shè)置在腔2內(nèi)的電阻加熱加熱器8通電，升溫腔2內(nèi)的溫度，將Ga和As合成而制作GaAs。然后，進(jìn)一步升溫使GaAs成為熔融液，制成GaAs熔融液9。接著，旋轉(zhuǎn)直拉軸3、坩堝軸4，使二者旋轉(zhuǎn)方向相反。在該狀態(tài)下，使安設(shè)在直拉軸3的前端的籽晶7下降至與GaAs熔融液9接觸。接著，在緩慢降低電阻加熱加熱器8的設(shè)定溫度的同時(shí)以給定速度上升直拉軸3，這樣使結(jié)晶直徑從籽晶7緩慢地變粗而形成結(jié)晶肩部。形成結(jié)晶肩部后，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)結(jié)晶外徑時(shí)，在控制外形使外徑保持一定的條件下，進(jìn)行GaAs單晶10的制造。
接著，參照?qǐng)D2說明采用縱型熔融液法的GaAs單晶的制造方法。
縱型熔融液法(VB法、VGF法)的GaAs單晶制造裝置21是具有作為爐體部分的腔22、用于承受作為原料容器的坩堝25的坩堝軸24的結(jié)構(gòu)。
采用VB法(或VGF法)的GaAs單晶的制造方法中，首先在作為原料容器的坩堝25(坩堝的材質(zhì)通常是使用PBN)中，加入GaAs多晶及作為As的防揮發(fā)材料的三氧化硼26。另外，在坩堝25的前端細(xì)徑部內(nèi)安設(shè)將成為結(jié)晶基礎(chǔ)的籽晶27。該籽晶27通常是以與GaAs熔融液接觸的面作為(100)面。將它們放置到腔22內(nèi)。
接著，對(duì)腔22內(nèi)抽真空，填充惰性氣體。然后，使設(shè)置在腔22內(nèi)的電阻加熱加熱器28通電，以從下部到上部升高地設(shè)定溫度梯度的狀態(tài)升溫腔22內(nèi)的溫度，使GaAs多晶成為熔融液，制成GaAs熔融液29。進(jìn)而，升溫爐內(nèi)溫度至設(shè)置在坩堝25的前端的籽晶27與GaAs熔融液29接觸，進(jìn)行賦種。
接著，VB法的情況是，從該狀態(tài)在固定電阻加熱加熱器28的設(shè)定值的狀態(tài)下，以規(guī)定速度下降坩堝軸24，從籽晶27固化GaAs熔融液29，來制造GaAs單晶。另外，VGF法的情況是，賦種后，不移動(dòng)坩堝軸24，而是以規(guī)定比例降溫電阻加熱加熱器28的設(shè)定值，從籽晶27固化GaAs熔融液29，來制造GaAs單晶。
上述的LEC法和縱型熔融液法(VB法、VGF法)各自有長處和短處。
LEC法的情況，在急劇的溫度梯度條件下進(jìn)行結(jié)晶生長。因此，結(jié)晶容易冷卻，適合于結(jié)晶生長的高速化，在生產(chǎn)量方面非常有利。但是，由于是在急劇的溫度梯度條件下生長的結(jié)晶，因此晶片的面內(nèi)位錯(cuò)密度要比VB、VGF法高(直徑φ15.24cm(6英寸)尺寸的晶片的面內(nèi)位錯(cuò)密度為50,000～100,000個(gè)/cm2)。如果加注釋的話，半絕緣性GaAs晶片的位錯(cuò)密度對(duì)電子器件特性的影響尚處于研究階段，并不能簡單地定論位錯(cuò)密度越低越好。
另一方面，VB、VGF法的情況，在緩和的溫度梯度條件下進(jìn)行結(jié)晶生長。因此，與LEC法相反，不適于實(shí)現(xiàn)結(jié)晶生長的高速化，在生產(chǎn)量方面是不利的。但是，非常有利于晶片的位錯(cuò)密度的低位錯(cuò)化(直徑φ15.24cm(6英寸)尺寸的晶片的面內(nèi)位錯(cuò)密度為約10,000個(gè)/cm2)。
但是，半絕緣性GaAs晶片被用作為要求高速工作和低耗電的電子器件用的襯底材料。作為該電子器件用襯底提供給電子器件廠家的半絕緣性GaAs晶片，在其電子器件制造過程中，實(shí)施以離子注入后的活性化退火為代表的退火處理(加熱處理)。
離子注入(ion implantation)是在GaAs晶片表面例如打入Si離子，目的為提高晶片的導(dǎo)電性。但是，在離子注入工藝中，晶格的排列會(huì)發(fā)生紊亂，成為導(dǎo)電率提高不充分的狀態(tài)。因此，為了整齊地再排列晶格，實(shí)施活性化退火處理。
該退火處理是各電子器件廠家以各自的條件進(jìn)行，但基本上通常采用將溫度急劇升溫到約500～900℃左右，然后急速冷卻的方法。
關(guān)于退火處理技術(shù)，以往是對(duì)比研究LEC法和縱型熔融液法(VB法、VGF法)，著眼于采用縱型熔融液法制造的GaAs結(jié)晶的晶片要比LEC法更為低位錯(cuò)密度、低殘留應(yīng)力的事實(shí)，進(jìn)行了將其應(yīng)用于離子注入用襯底的研究(參照特開平11-268997)。但是，實(shí)際上如果在批量生產(chǎn)的水平使用由縱型熔融液法得到的結(jié)晶，則與以往由LEC法的GaAs結(jié)晶(LEC結(jié)晶)相比，無法得到穩(wěn)定的特性。并且，由該縱型熔融液法得到的GaAs結(jié)晶的情況，如果實(shí)施與以往由LEC法的GaAs結(jié)晶(LEC結(jié)晶)所進(jìn)行的同樣的熱處理，則尤其是對(duì)于直徑大于等于7.62cm(3英寸)的大直徑的結(jié)晶來說，位錯(cuò)密度和殘留應(yīng)力會(huì)增加，并且均勻化機(jī)理也有可能不同于LEC結(jié)晶。因此在特開平11-268997中，通過限制能夠得到更穩(wěn)定且均勻的電特性的GaAs結(jié)晶的制造條件以及結(jié)晶特性，實(shí)現(xiàn)了能夠用于實(shí)際生產(chǎn)的高品質(zhì)GaAs晶片，進(jìn)而重新研究了最佳的熱處理?xiàng)l件。

發(fā)明內(nèi)容
以往技術(shù)的問題在于，將以往技術(shù)所記載的由LEC法或縱型熔融液法(VB法、VGF法)得到的GaAs結(jié)晶用作為襯底的電子器件的制造過程中，在離子注入后的活性化退火處理中，退火處理后的GaAs晶片會(huì)發(fā)生滑動(dòng)位錯(cuò)，而產(chǎn)生無法用作為產(chǎn)品的不良情況。
發(fā)生滑動(dòng)位錯(cuò)的最大因素，可以舉出退火處理時(shí)的晶片面內(nèi)的溫度不均勻。在該點(diǎn)上，各電子器件廠家都在進(jìn)行有關(guān)退火方法的改進(jìn)。
但是，近年來，晶片的大直徑化越來越發(fā)展，GaAs晶片的主流也從以往的直徑10.16cm(4英寸)尺寸發(fā)展到了直徑15.24cm(6英寸)尺寸，出現(xiàn)了比以往對(duì)退火時(shí)的晶片面內(nèi)溫度均勻化的控制要求更嚴(yán)格的狀況，比以往成為更大的課題。
從上述特開平11-268997，縱型熔融液法(VB法、VGF法)要比LEC法更能夠得到低位錯(cuò)密度、低殘留應(yīng)力的GaAs結(jié)晶的情況出發(fā)，將其作為離子注入用襯底進(jìn)行了試用。
但是，與由LEC法的GaAs結(jié)晶(LEC結(jié)晶)相比，縱型熔融液法(VB法、VGF法)無法得到穩(wěn)定的特性，并且，無法實(shí)施與LEC結(jié)晶所進(jìn)行同樣的熱處理，而需要重新研究最佳的熱處理?xiàng)l件。
進(jìn)而，最重要的一點(diǎn)是，所謂“縱型熔融液法(VB法、VGF法)的結(jié)晶殘留應(yīng)力更低”并不是指滑動(dòng)位錯(cuò)的發(fā)生馬上就少。從本發(fā)明人等深入研究努力的結(jié)果來看，活性化退火后的滑動(dòng)位錯(cuò)的發(fā)生起因并不只是由于殘留應(yīng)力。
即使是如以往的LEC法，只要是能夠限制滑動(dòng)位錯(cuò)發(fā)生率少的GaAs結(jié)晶的特性，例如晶片面內(nèi)位錯(cuò)密度(EPD值)或殘留應(yīng)力值，則可以實(shí)現(xiàn)能夠用于實(shí)際生產(chǎn)離子注入用襯底的高品質(zhì)GaAs晶片。
因此，本發(fā)明的目的在于，解決上述課題，由LEC法或者也可以是縱型熔融液法(VB法、VGF法)，對(duì)于由這些方法得到的GaAs結(jié)晶，通過將晶片的面內(nèi)位錯(cuò)密度(EPD值)和殘留應(yīng)力值限定在一定范圍，提供在離子注入后的活性化退火這樣的熱處理中不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)位錯(cuò)的半絕緣性GaAs晶片及其制造方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的半絕緣性GaAs晶片為直徑大于等于10.16cm(4英寸)的半絕緣性GaAs晶片，其特征在于，晶片面內(nèi)的位錯(cuò)密度(EPD)為30,000個(gè)/cm2～100,000個(gè)/cm2。
這里，優(yōu)選為利用根據(jù)應(yīng)力大小偏轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)的光彈性現(xiàn)象測定的晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)在小于等于1.8×10-5的范圍。
另外，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的半絕緣性GaAs晶片的制造方法，通過使GaAs單晶生長時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度在20℃/cm～150℃/cm，使晶片面內(nèi)的位錯(cuò)密度(EPD)為30,000個(gè)/cm2～100,000個(gè)/cm2。
使所述GaAs單晶生長后，優(yōu)選進(jìn)一步對(duì)所述GaAs單晶實(shí)施退火處理。
通過使所述退火時(shí)的最高到達(dá)溫度為900℃～1150℃，并且使所述GaAs單晶中的溫度梯度在0℃/cm～12.5℃/cm，使晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)在小于等于1.8×10-5的范圍。
根據(jù)本發(fā)明，在將半絕緣性GaAs晶片用作為襯底的電子器件制造工序中，能夠大幅度降低離子注入后的以活性化退火為代表的晶片加熱處理中發(fā)生的滑動(dòng)位錯(cuò)引起的產(chǎn)品不良的情況，提高電子器件制造中的成品率。


圖1是用于說明采用LEC法的GaAs單晶的制造方法的裝置的概略圖。
圖2是用于說明采用縱型熔融液法(VB法、VGF法)的GaAs單晶的制造方法的裝置的概略圖。
圖3是表示晶片退火處理的實(shí)驗(yàn)爐的概略圖。
圖4是表示結(jié)晶生長時(shí)結(jié)晶中的溫度梯度與EPD的相關(guān)關(guān)系的曲線。
圖5是表示對(duì)于將溫度梯度的設(shè)定條件設(shè)定在20℃/cm～150℃/cm使結(jié)晶生長，不實(shí)施退火處理，而測定晶片面內(nèi)的殘留應(yīng)力的結(jié)果的曲線。
圖中，1是LEC法的GaAs單晶制造裝置；2是腔；3是直拉軸；4是坩堝軸；5是PBN坩堝；6是三氧化硼；7是籽晶；8是電阻加熱加熱器；9是GaAs熔融液；10是GaAs單晶；14是晶片退火實(shí)驗(yàn)爐；15是腔；16是晶片配置板；17是三個(gè)區(qū)域結(jié)構(gòu)加熱器；18是GaAs晶片；21是縱型熔融液法(VB法、VGF法)的GaAs單晶制造裝置；22是腔；24是坩堝軸；25是PBN坩堝；26是三氧化硼；27是籽晶；28是電阻加熱加熱器；29是GaAs熔融液。
具體實(shí)施例方式
以往，關(guān)于半絕緣性GaAs晶片的位錯(cuò)密度對(duì)電子器件特性的影響尚處于研究階段，并不能簡單地定論位錯(cuò)密度越低越好。
對(duì)于該點(diǎn)，本發(fā)明人等深入研究努力的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如果殘留應(yīng)力相同，則越是位錯(cuò)多的GaAs結(jié)晶越難以發(fā)生活性化退火后的滑動(dòng)位錯(cuò)。換言之，如果殘留應(yīng)力相同，比起縱型熔融液法(VB法、VGF法)的結(jié)晶的晶片，由位錯(cuò)多的LEC法得到的結(jié)晶的晶片，更難以發(fā)生滑動(dòng)位錯(cuò)。
因此，本發(fā)明就通過如下所述限制滑動(dòng)位錯(cuò)發(fā)生率少的GaAs結(jié)晶的特性，成功地制造出雖然為LEC法，但能夠?qū)嶋H地用于生產(chǎn)離子注入用襯底的高品質(zhì)GaAs晶片。即，一方面是晶片面內(nèi)的位錯(cuò)密度(以下稱為EPD)，其處于3×104個(gè)/cm2≤EPD≤1×105個(gè)/cm2的范圍，并且另一方面為由光彈性測定得到的晶片面內(nèi)的殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)，其處于小于等于1.8×10-5的范圍。
在特開平11-268997中，面內(nèi)的平均位錯(cuò)密度為小于等于1×104個(gè)/cm2，由光彈性測定得到的平均殘留應(yīng)力(|Sr-St|)為小于1×10-5，因此以晶片面內(nèi)的位錯(cuò)密度(EPD)為中心進(jìn)行比較的話，脫離了本發(fā)明的范圍。
下面，詳細(xì)地說明本發(fā)明的數(shù)值限定。
(晶片面內(nèi)的EPD的范圍)本發(fā)明中使晶片面內(nèi)的EPD處于3×104個(gè)/cm2～1×105個(gè)/cm2的范圍的理由是，作為所有金屬一般都具有的現(xiàn)象，因?yàn)橛形诲e(cuò)，，位錯(cuò)發(fā)生部分會(huì)引起塑性變形，塑性變形則使位錯(cuò)復(fù)雜地糾纏而導(dǎo)致加工硬化。由此，對(duì)于退火時(shí)施加的熱應(yīng)力耐受變強(qiáng)，而能夠減少滑動(dòng)位錯(cuò)的發(fā)生。對(duì)于該加工硬化，根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)，得到了EPD值大于等于3×104個(gè)/cm2就能夠得到的結(jié)論。另外，使EPD值小于等于1×105個(gè)/cm2的理由是，雖然產(chǎn)生加工硬化，具有減少滑動(dòng)位錯(cuò)的效果，但如果EPD超過1×105個(gè)/cm2，則結(jié)晶發(fā)生亞晶界的可能性增加，無法用作為產(chǎn)品。
(晶片面內(nèi)的殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)的范圍)本發(fā)明中使晶片面內(nèi)的殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)小于等于1.8×10-5的理由是，發(fā)明人經(jīng)過近年來的研究，確定晶片面內(nèi)的殘留應(yīng)力值與發(fā)生滑動(dòng)位錯(cuò)之間存在著相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)殘留應(yīng)力值越高，滑動(dòng)位錯(cuò)的發(fā)生率也就逐漸地升高的傾向。并且確定了，如果晶片面內(nèi)的殘留應(yīng)力值超過某一值，則存在退火時(shí)的滑動(dòng)位錯(cuò)的發(fā)生率立刻增高的臨界點(diǎn)。由于該臨界點(diǎn)就在|Sr-St|＝1.8×10-5附近，所以將殘留應(yīng)力值定在了上述范圍。
(晶片面內(nèi)的殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)的測定方法)
對(duì)殘留應(yīng)力的評(píng)價(jià)方法是使用例如Rev.Sci.Instrum.，Vol.64，No.7，pp.1815～1821 July 1993中記載的利用光彈性現(xiàn)象的測定方法。簡單介紹測定原理的話，用紅外光線對(duì)晶片照射光線，檢測其透過光的偏轉(zhuǎn)面的旋轉(zhuǎn)角度，由于該偏轉(zhuǎn)面的旋轉(zhuǎn)角度由晶片的殘留應(yīng)力決定，因此通過檢測該旋轉(zhuǎn)角度，就可以測定晶片的殘留應(yīng)力。
(殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)的定義)接著，說明|Sr-St|的定義。晶片的殘留應(yīng)力可以根據(jù)圓柱坐標(biāo)中的半徑方向的應(yīng)力Sr與圓柱切線方向的應(yīng)力Sr之差的絕對(duì)值|Sr-St|計(jì)算。這里，|Sr-St|是由下述關(guān)系式定義。
|Sr-St|=λδπdn03((cos2ψp11-p12)2+(sin2ψp44)2)1/2]]>λ光源的波長d晶片的厚度n折射率δ樣品的雙折射引起的相位差ψ主振動(dòng)方向角p11、P12、P44光彈性常數(shù)通過從上述式中測定δ和ψ，可以計(jì)算出晶片的殘留應(yīng)力|Sr-St|。
(使GaAs單晶生長時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度的范圍)在本發(fā)明中，將使GaAs單晶生長時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度的范圍設(shè)定在了20℃/cm～150℃/cm，其理由如下。
結(jié)晶中產(chǎn)生的位錯(cuò)，一方面受到結(jié)晶生長時(shí)所受的熱應(yīng)力的影響。認(rèn)為當(dāng)結(jié)晶處于熱應(yīng)力的狀態(tài)下時(shí)，即當(dāng)結(jié)晶處于具有某種溫度梯度的狀態(tài)下時(shí)，位錯(cuò)就會(huì)朝著能夠緩和其應(yīng)力的方向產(chǎn)生。因此，本發(fā)明人等為了使EPD的值處于上述的3×104個(gè)/cm2～1×105個(gè)/cm2，通過在結(jié)晶生長時(shí)的結(jié)晶中設(shè)定規(guī)定的溫度梯度，來控制EPD的值。
因此，確定結(jié)晶中的溫度梯度的最佳范圍時(shí)，使用LEC法和VB法(或VGF法)兩種方法進(jìn)行GaAs單晶生長，在該結(jié)晶生長中，改變結(jié)晶中的溫度梯度的設(shè)定，進(jìn)行有關(guān)此時(shí)EPD值的實(shí)驗(yàn)。
圖4表示結(jié)晶中的溫度梯度與所得到結(jié)晶的EPD的相關(guān)關(guān)系。
由該圖可以知道，當(dāng)結(jié)晶生長時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度在20℃/cm～150℃/cm范圍時(shí)，重現(xiàn)性良好，并且EPD滿足30,000個(gè)/cm2～100,000個(gè)/cm2的范圍。
從而，本發(fā)明中將用于得到半絕緣性GaAs晶片的生長GaAs單晶時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度范圍設(shè)定在20℃/cm～150℃/cm。
(退火條件的適宜范圍)本發(fā)明中，按照上述的GaAs單晶生長時(shí)的溫度梯度進(jìn)行結(jié)晶生長后，實(shí)施退化時(shí)，作為其退火條件，最高到達(dá)溫度優(yōu)選為900℃～1150℃，并且使退火時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度在0℃/cm～12.5℃/cm，其理由如下。
如上所述，通過將生長GaAs單晶時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度范圍設(shè)定在20℃/cm～150℃/cm，能夠?qū)PD值控制在上述的3×104個(gè)/cm2～1×105個(gè)/cm2，但另一方面由于對(duì)結(jié)晶施加熱應(yīng)力，因此在結(jié)晶內(nèi)發(fā)生殘留應(yīng)力。
關(guān)于該點(diǎn)，本發(fā)明人等，對(duì)于進(jìn)行圖4所示實(shí)驗(yàn)的結(jié)晶，只挑出將溫度梯度的設(shè)定條件設(shè)定在20℃/cm～150℃/cm的批數(shù)，在結(jié)晶生長后以不進(jìn)行退火等處理的狀態(tài)，對(duì)晶片測定晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力|Sr-St|。
圖5表示測定的晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力與批數(shù)的關(guān)系。
其結(jié)果，|Sr-St|的平均值成為1.93×10-5，難以重現(xiàn)性良好地控制|Sr-St|≤1.8×10-5。
因此，本發(fā)明人等進(jìn)行潛心研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)即使對(duì)于將溫度梯度的設(shè)定條件設(shè)定在20℃/cm～150℃/cm而進(jìn)行結(jié)晶生長的結(jié)晶，通過在結(jié)晶生長后實(shí)施上述的退火處理，也能夠有效地去除熱應(yīng)力導(dǎo)致的結(jié)晶內(nèi)殘留的應(yīng)力，其結(jié)果，能夠?qū)⒕鎯?nèi)殘留應(yīng)力值控制在小于等于1.8×10-5的范圍內(nèi)。
就退火條件的最佳化來說，參考圖5的殘留應(yīng)力測定結(jié)果，準(zhǔn)備1.9×10-5(平均值)、2.3×10-5(最大值)、1.5×10-5(最小值)的三個(gè)樣品，將退火時(shí)的最高到達(dá)溫度及結(jié)晶中的溫度梯度作為參數(shù)，測定殘留應(yīng)力的變化，以把握最佳條件。
表1、2、3表示各樣品的退火后的殘留應(yīng)力|Sr-St|的值。
根據(jù)退火的晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力的變化(1)樣品晶片殘留應(yīng)力值|Sr-St|＝1.9×10-5的情況(×10-5) 注釋表內(nèi)的數(shù)值表示殘留應(yīng)力值|Sr-St|。
根據(jù)退火的晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力的變化(2)樣品晶片殘留應(yīng)力值|Sr-St|＝2.3×10-5的情況(×10-5) 注釋表內(nèi)的數(shù)值表示殘留應(yīng)力值|Sr-St|。
根據(jù)退火的晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力的變化(3)樣品晶片殘留應(yīng)力值|Sr-St|＝1.5×10-5的情況(×10-5) 注釋表內(nèi)的數(shù)值表示殘留應(yīng)力值|Sr-St|。
在表1～3中，有網(wǎng)格的欄是，相對(duì)退火前的殘留應(yīng)力值可以確認(rèn)減少，并且|Sr-St|達(dá)到小于等于1.8×10-5的值的退火條件。另外，表內(nèi)的“無法測定”是，結(jié)晶表面由于用于退火的爐的加熱過急，從而使溫度上升到GaAs的熔點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)晶表面熔融，因此無法測定。
從表1～3的結(jié)果，對(duì)于所有的樣品來說，相對(duì)退火前的殘留應(yīng)力值可以確認(rèn)減少，并且|Sr-St|可以達(dá)到小于等于1.8×10-5的值的退火條件是900℃～1150℃，并且得出退火時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度在0℃/cm～12.5℃/cm的結(jié)果。根據(jù)以上的結(jié)果確定了最佳的退火條件。
本發(fā)明的半絕緣性GaAs晶片的制造方法的特點(diǎn)是，從采用LEC法制造的GaAs單晶，也能夠得到在離子注入后的活性化退火處理中不發(fā)生滑動(dòng)位錯(cuò)的半絕緣性GaAs晶片。當(dāng)然，從采用縱型熔融液法(VB法、VGF法)制造的GaAs單晶，也能夠得到晶片面內(nèi)的位錯(cuò)密度(EPD)和晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)處于上述規(guī)定范圍的半絕緣性GaAs晶片。并且，晶片的尺寸并不一定需要是直徑大于等于15.24cm(6英寸)，直徑大于等于10.16cm(4英寸)的半絕緣性GaAs晶片也可以適用。
實(shí)施例使用直徑15.24cm(6英寸)的半絕緣性GaAs晶片，取EPD和殘留應(yīng)力值兩個(gè)參數(shù)，準(zhǔn)備晶片，使用這些晶片實(shí)施退火實(shí)驗(yàn)，研究滑動(dòng)的發(fā)生率。準(zhǔn)備的晶片是根據(jù)EPD值，在30,000個(gè)/cm2～100,000個(gè)/cm2的范圍使用由LEC法制造的晶片，在小于30,000個(gè)/cm2的范圍則使用由VGF法制造的晶片。另外，當(dāng)由LEC法制造EPD值為30,000個(gè)/cm2～100,000個(gè)/cm2的晶片時(shí)，通過將結(jié)晶生長時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度調(diào)節(jié)在20℃/cm～150℃/cm，調(diào)節(jié)EPD值。并且由VGF法制造EPD值小于30,000個(gè)/cm2的晶片時(shí)，通過將結(jié)晶生長時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度調(diào)節(jié)成小于20℃/cm來調(diào)節(jié)EPD值。進(jìn)而，對(duì)于晶片面內(nèi)的殘留應(yīng)力值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的殘留應(yīng)力值，在結(jié)晶生長后，實(shí)施上述范圍的退火，或者不實(shí)施退火來準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用晶片樣品。
下面，記載實(shí)驗(yàn)中使用的GaAs結(jié)晶的制造方法。
首先，參照?qǐng)D1說明使用LEC法的GaAs單晶制造方法。
使用PBN制坩堝作為原料容器坩堝5，在該坩堝5中，加入Ga和As以及作為As的防揮發(fā)材料的三氧化硼6，將其放置到腔2內(nèi)。裝料重量為，Ga15,000g、As16,500g，三氧化硼62,000g。并且，在直拉軸3的前端安設(shè)將成為結(jié)晶基礎(chǔ)的籽晶7。
將這些原料放置到腔2內(nèi)后，對(duì)腔2內(nèi)抽真空，填充惰性氣體。然后，使設(shè)置在腔2內(nèi)的電阻加熱加熱器8通電，升溫腔2內(nèi)的溫度，將Ga和As合成而制作GaAs。然后，進(jìn)一步升溫使GaAs成為熔融液，制成GaAs熔融液9。接著，旋轉(zhuǎn)直拉軸3、坩堝軸4，使旋轉(zhuǎn)方向相反。在該狀態(tài)下，安設(shè)在直拉軸3的前端的籽晶7下降至與GaAs熔融液9接觸。接著，在緩慢降低電阻加熱加熱器8的設(shè)定溫度的同時(shí)以給定速度使直拉軸3上升，這樣緩慢地使結(jié)晶直徑從籽晶7變粗而形成結(jié)晶肩部。形成結(jié)晶肩部后，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)結(jié)晶外徑時(shí)，在控制外形而使外徑保持一定的條件下，制造GaAs單晶10。這里，在從該籽晶生長結(jié)晶的過程中，通過調(diào)節(jié)電阻加熱加熱器8的溫度設(shè)定值或形狀、進(jìn)而通過調(diào)整腔2內(nèi)的爐內(nèi)部件結(jié)構(gòu)等，來調(diào)整結(jié)晶生長時(shí)GaAs單晶10的結(jié)晶中的溫度梯度。
接著，參照?qǐng)D2說明采用縱型熔融液法的GaAs單晶的制造方法。
使用PBN制坩堝作為原料容器坩堝25，在該坩堝25中，加入GaAs多晶及作為As的防揮發(fā)材料的三氧化硼26。其中，裝料重量為，GaAs多晶20,000g，三氧化硼262,000g。另外，在坩堝25的前端安設(shè)將成為結(jié)晶基礎(chǔ)的籽晶27。將這些放置到腔22內(nèi)。接著，對(duì)腔22內(nèi)抽真空，填充惰性氣體。然后，使設(shè)置在腔22內(nèi)的電阻加熱加熱器28通電，以從下部到上部溫度升高地設(shè)定溫度梯度的狀態(tài)升溫腔22內(nèi)的溫度，使GaAs多晶成為熔融液，制成GaAs熔融液29。其中，在這次實(shí)驗(yàn)中將爐內(nèi)的溫度梯度設(shè)定為小于等于20℃/cm來實(shí)施結(jié)晶生長。接著，升溫爐內(nèi)溫度至設(shè)置在坩堝25的前端的籽晶27與GaAs熔融液29接觸，進(jìn)行賦種。接著，通過以規(guī)定比例降溫電阻加熱加熱器28的設(shè)定值，從籽晶27使GaAs熔融液29固化，來制造GaAs單晶。
將如上所述由兩種結(jié)晶制造方法得到的GaAs單晶，進(jìn)行切片、磨邊、研磨，而準(zhǔn)備GaAs晶片。
接著，退火處理實(shí)驗(yàn)是使用圖3所示的晶片退火實(shí)驗(yàn)爐14實(shí)施。該晶片退火實(shí)驗(yàn)爐14成為在腔15內(nèi)具有晶片配置板16，在其上面配置GaAs晶片18的結(jié)構(gòu)。另外，在晶片配置板16的下方配置橫向具有三個(gè)加熱區(qū)域的三區(qū)域結(jié)構(gòu)加熱器17的結(jié)構(gòu)。該三區(qū)域結(jié)構(gòu)加熱器17的各區(qū)域，被配置成位于GaAs晶片18的兩端和中央，通過調(diào)節(jié)這些三區(qū)域的加熱器設(shè)定溫度，就能夠自由地調(diào)整晶片面內(nèi)的溫度分布。
在這次實(shí)驗(yàn)中，將晶片退火實(shí)驗(yàn)爐14的溫度設(shè)定成為，在晶片中央部為850℃、在晶片兩端為830℃，設(shè)定成在晶片面內(nèi)中央和兩端的溫度差為20℃。并且，將到達(dá)該溫度設(shè)定值的時(shí)間設(shè)定為30分鐘，到達(dá)后保持5分鐘，然后經(jīng)1小時(shí)冷卻至常溫。
在該溫度條件下，取EPD和殘留應(yīng)力值作為參數(shù)，如數(shù)準(zhǔn)備組合晶片，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體講，準(zhǔn)備晶片面內(nèi)EPD值為0.8、1、3、5、8、10(×104個(gè)/cm2)，晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)為0.9～2.0(×10-5)這種組合的晶片，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在該實(shí)驗(yàn)中，對(duì)每個(gè)EPD、殘留應(yīng)力值的各組合準(zhǔn)備了10片晶片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究此時(shí)的滑動(dòng)位錯(cuò)的發(fā)生率。將其結(jié)果示于表4。
根據(jù)退火的滑動(dòng)發(fā)生率 注釋①表內(nèi)的數(shù)值是滑動(dòng)發(fā)生率(％)的值。
②晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力值是由光彈性測定得到的|Sr-St|值。
從上述的表4的結(jié)果可以清楚地知道，當(dāng)晶片面內(nèi)的EPD值處于30,000個(gè)/cm2～100,000個(gè)/cm2的范圍，并且晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力值|Sr-St|處于小于等于1.8×10-5的范圍(表4的有網(wǎng)格的區(qū)域)時(shí)，滑動(dòng)位錯(cuò)的發(fā)生率最大也只是20％，結(jié)果顯示出了本發(fā)明的有效性。
權(quán)利要求
1.半絕緣性GaAs晶片，其為直徑大于等于10.16cm(4英寸)的半絕緣性GaAs晶片，其特征在于，晶片面內(nèi)的位錯(cuò)密度(EPD)為30,000個(gè)/cm2～100,000個(gè)/cm2。
2.權(quán)利要求1所述的半絕緣性GaAs晶片，其特征在于，利用根據(jù)應(yīng)力大小偏轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)的光彈性現(xiàn)象測定的晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)在小于等于1.8×10-5的范圍。
3.半絕緣性GaAs晶片的制造方法，其特征在于，通過使GaAs單晶生長時(shí)的結(jié)晶中的溫度梯度在20℃/cm～150℃/cm，使晶片面內(nèi)的位錯(cuò)密度(EPD)為30,000個(gè)/cm2～100,000個(gè)/cm2。
4.權(quán)利要求3所述的半絕緣性GaAs晶片的制造方法，其特征在于，使所述GaAs單晶生長后，進(jìn)一步對(duì)所述GaAs單晶實(shí)施退火處理。
5.權(quán)利要求4所述的半絕緣性GaAs晶片的制造方法，其特征在于，通過使所述退火時(shí)的最高到達(dá)溫度為900℃～1150℃，并且使所述GaAs單晶中的溫度梯度在0℃/cm～12.5℃/cm，使晶片面內(nèi)殘留應(yīng)力值(|Sr-St|)在小于等于1.8×10-5的范圍。
全文摘要
本發(fā)明通過對(duì)由LEC法或縱型熔融液法(VB法、VGF法)得到的GaAs結(jié)晶，將晶片的面內(nèi)位錯(cuò)密度(EPD值)和殘留應(yīng)力值限定在一定范圍，可以制造出在離子注入后的活性化退火這樣的熱處理中不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)位錯(cuò)的半絕緣性GaAs晶片。本發(fā)明可以得到晶片面內(nèi)的位錯(cuò)密度(EPD)處于3×10
文檔編號(hào)C30B29/10GK1821453SQ200610002268
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者矢吹伸司, 和地三千則, 大寶幸司 申請(qǐng)人:日立電線株式會(huì)社