JPH0465037B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

「産業上の利用分野」 本発明は、ひ化ガリウム（以下「GaAs」とい
う。）単結晶基板に関する。 「従来の技術」 GaAsは、シリコンに比較して電子の移動度が
大であるので、UHF〜SHF帯の電波領域で、使
用するFET（電界効果トランジスター）、高速IC
（集積回路）等のデバイスの材料として使用され
ている。 これらのデバイスにするためには、GaAsの単
結晶から切り出した基板上に、GaAsの単結晶の
薄膜を気相エピタキシヤル成長させたエピタキシ
ヤル・ウエハ、特にエピタキシヤル層の層厚及び
キヤリア濃度が均一であり、表面が鏡面であつ
て、テラス状の凹凸、あるいは、異常成長による
突起等を生じないものが要求される［今井哲二等
編著、(株)工業調査会1984年７月発行「化合物半導
体デバイス［Ｉ］193〜213頁］。 このようなエピタキシヤル・ウエハの性状は、
用いられる単結晶基板の結晶学的面方位に影響さ
れるが、従来は単結晶基板として、その結晶学的
面方位が、１つの｛100｝面を基準として、該
｛100｝面に含まれる４つの〈110〉方向のうちの
１つの〈110〉方向に1°〜6°傾いた面である単結
晶基板が用いられていた。 「発明が解決しようとする問題点」 表面の面方位が、｛100｝面から、その面内に含
まれる〈110〉方向に1°〜6°傾いた面である従来
のGaAs単結晶基板を用いた場合は、表面の結晶
学的面方位が、｛100｝面である単結晶基板を用い
た場合に比較して、得られたエピタキシヤル・ウ
エハの表面に、テラス状の凹凸は生じないという
特徴を有しているが、異常成長による突起の減
少、ならびに、キヤリア濃度及び層厚の均一性の
改善という点では、十分ではなかつた。したがつ
て、デバイスの製造歩留りを向上するために、さ
らに改善することが必要とされていた。 本発明者等は、かかる問題点を有しないGaAs
エピタキシヤル・ウエハを提供することを目的と
して、鋭意研究を重ねた結果、本発明に到達した
ものである。 「問題点を解決するための手段」 本発明の上記の目的は、基板の表面の結晶学的
面方位が、１つの｛100｝面のそれから、該
｛100｝面内に含まれる１つの〈100〉方向に、1°
〜6°傾いているGaAs単結晶基板によつて達せら
れる。 すなわち、本発明のGaAs単結晶基板の表面
は、本来｛100｝面を基準とするものではあるが、
｛100｝面そのものではなく、若干ずれた（傾い
た）ものであることを必要とする。しかして、本
発明ではこの基板表面が｛100｝面からの傾きを
表現するのに、結晶学的面方位をもつてし、傾き
の方向を該｛100｝面に含まれる４つの〈100〉方
向のいずれか一つに、また傾きの大いさを1°〜6°
に規定するものである。 理解を助けるために、まず第１図に示すGaAs
単結晶のステレオ投影図に従つて説明する。 図示したのは、傾ける基準となる｛100｝面と
して、（100）面を選択した場合の例である。従つ
て、このステレオ投影図の北極、すなわち円の中
心が（100）面を表わす。換言すれば、第１図で
は、（100）面の結晶学的面方位が中心点として投
影されている。さて、基準となる｛100｝面を、
（100）面とした場合、この｛100｝面に含まれる
〈100〉方向は、［010］、［00１］、［０１０］、およ
び［001］の４方向である。これら４つの〈100〉
方向は、この図では円周上の、90゜間隔の４つの
×印で示される。従つて、本発明に規定される、
〈100〉方向に、（100）面から1°〜6°傾いた面は、
この図では、円の中心から４つの×印に向う、
90゜間隔で放射状に配置された、４本の直線に投
影される。 なお、基準となる｛100｝面として、（100）面
を選択した場合について、説明したが、本発明
は、特に、この場合に限定されるものではなく、
他の５つの｛100｝面を基準とした場合も本発明
の範囲に含まれることは言うまでもない。 さて、本発明のGaAs単結晶基板の表面の結晶
学的面方位と、基準となる１つの｛100｝面のそ
れとの傾きの大いさは、1°〜6°、好ましくは、
1.5°〜3°の範囲から選ばれる。この傾きの大いさ
が上記範囲外であると、得られたエピタキシヤ
ル・ウエハの表面が鏡面とならないので好ましく
ない。 また、基板表面が基準となる｛100｝面から傾
く方向は、該｛100｝面に含まれる４つの〈100〉
方向であれば、いずれを選択してもよい。また、
基板表面が傾く方向は、正確な〈100〉方向でな
くとも、実質的に〈100〉方向であればよい。例
えば、〈100〉方向に対して±10゜程度の誤差があ
つても、本発明の効果は十分に発揮される。な
お、±5゜以内であれば、より好ましい。本発明の
基板は、ボート成長法、または、チヨクラルスキ
ー法によつて成長させられたGaAs単結晶からス
テイシング装置により、スライシングすることに
よつて得られる。スライシング装置としては、内
周刃式スライシング装置を用いて、純水を切削部
に流して、切削熱及び切削くずを除去しながら行
なうのが通常であるが、ワイア・ソー式スライシ
ング装置、その他の装置を用いてもよい。 スライシングの際の面方位の決定は、カツト面
検査装置を用いて、Ｘ線回折法を用いて行なうの
が、高精度が得られるので好ましい。 基板の厚さは、通常は0.1〜0.5mmの範囲であ
る。また、スライシング直後の基板の表面には、
ソー・マークと称される損傷があるので、ラツピ
ング及びポリシングを行ないソー・マークを除去
するとともに、表面の平滑度及び表面と裏面の平
行度を向上させるのが通常である。 「発明の効果」 本発明の基板は、気相エピタキシヤル成長を行
なうとき、下記各項に示すように表面状態及び均
一性の極めて良好なエピタキシヤル・ウエハを与
える点で、極めて有用である。 (1) ウエハの表面に観祭される、異常成長による
突起物の数が、同一面積当り、従来の基板を用
いた場合の1/2〜1/3に減少し、かつ、その大き
さも小さくなる。 (2) エピタキシヤル層の厚さの均一性が優れてい
る。 (3) エピタキシヤル層中のキヤリア濃度の均一性
も優れている。 その結果、本発明の基板から製造されたエピタ
キシヤル・ウエハを用いると、デバイス製造の際
の歩留が向上するので、産業上の利用価値は極め
て大である。 「実施例」 本発明を、実施例及び比較例に基づいて、具体
的に説明する。 実施例 ボート成長法によつて製造した、長さ350mm、
断面が直径50mmの半円形である、〈111〉As方向
に成長させた、クロム（Cr）ドープGaAs単結晶
から、厚さ0.45mmの基板を切り出した。切り出し
に際し、面方位の決定には、理学電機(株)製カツト
面検査装置2991E1を用い、また切り出しには、
東京精密(株)「223DC」型スライシング装置を用い
た。 得られた基板の面方位は、（100）面のそれか
ら、［010］方向に2.0゜傾いていた。 比較例 実施例と同様にして、（100）面から、［011］方
向に2.0゜傾いた表面を有する、厚さ0.45mmの基板
を切り出した。 ［基板の評価］ 実施例及び比較例で得られた基板を評価するた
めに、下記の装置を用い、下記の方法によつて、
GaAs単結晶薄膜を気相エピタキシヤル成長させ
た。また、評価の方法および結果は、後記の通り
であつた。 気相エピタキシヤル成長装置 気相エピタキシヤル成長には、第２図の縦断面
模型図に示す装置を用いた。同図中、２は、内径
70mm、長さ1000mmの石英製反応器である。３は、
ガリウム・ボートである。４は基板載置台であ
る。５は、雰囲気ガス入口である。６は、成長用
ガス入口である。７は、ガス出口である。８は、
基板加熱用電気炉、また、９は、ガリウム・ボー
ト加熱用電気炉である。１０は、温度測定用熱電
対挿入管である。 気相エピタキシヤル成長方法 実施例及び比較例で得られた基板を、直径40mm
の円形に整形した後、ラツピング及びポリシング
を行ない表面を鏡面とした。 この基板を、第２図に示す気相エピタキシヤル
成長装置の基板載置台４に載置した。入口５か
ら、窒素ガスを導入して、反応器内の空気を置換
した後、窒素ガスの供給を停止して、水素ガスを
2000ml／分の速度で導入した。電気炉８及び９に
より、基板温度を700℃、ガリウム・ボートを850
℃に加熱した。続いて、三塩化ひ素で飽和した。
温度30℃の水素ガスを、120ml／分の割合で15分
間、入口６から導入し、アンドープGaAsエピタ
キシヤル層（いわゆる、バツフア層）を成長させ
た。 その後、他のガスの流量を一定に保つたまま、
更に30重量ppmの硫化水素を含有する水素ガス
を、25ml／分の割合で５分間、入口６から導入し
て、ｎ型GaAsエピタキシヤル層（いわゆる、ア
クテイブ層）を、成長させた、次いで、三塩化ひ
素含有水素、及び、硫化水素含有水素ガスの供給
を停止して、反応器の温度を室温まで降下させた
後、得られたエピタキシヤル・ウエハを取り出し
た。 評価方法および結果 得られたエピタキシヤル・ウエハは、次の方法
により評価した。 (1) 突起物の数及び大きさは、偏光顕微鏡を用い
て測定した。すなわち、高さ7μm以上、また
は、長径50μm以上の異常突起M₁と、高さ7μm
未満、かつ、長径50μm未満の異常突起M₂の数
をウエハ全体について、数えた。 (2) キヤリア濃度は、英国ポーラロン社製セミコ
ンダクター・プロフアイル・プロツターを用い
て、Ｃ−Ｖ法により測定した。 (3) エピタキシヤル層全体の厚さは、共和理研(株)
Ｋ−69J150型膜厚測定ドリラーを用いて、ドリ
ラー法によつて測定した。 (4) エピタキシヤル層のうち、キヤリア濃度の高
い、いわゆるアクテイブ層の厚さは、上記キヤ
リア濃度測定値の変化曲線から求めた。 (5) 上記(2)〜(4)のキヤリア濃度及び層厚は、エピ
タキシヤル・ウエハの中心及び周辺４箇所
（90゜間隔）、計５箇所で測定した。 平均値は、いづれも上記５箇所の測定値の単
純平均値である。 (6) キヤリア濃度及び層厚の均一性は、上記(5)の
測定値から、下式により産出した値で表わし
た。 ｛（1/2）・（x_nex−x_nio）／｝×100 上式において x_nex：測定値の最大値 x_nio：同最小値 ：同平均値 (7) キヤリア濃度及び層厚の均一性総合評価は、
上記(5)の測定値両者の積について、下式により
産出した値で表わした。 ［1/2・｛（ｎ・ｄ）_nex−（ｎ−ｄ）_nio｝ ／（・）］×100 ｎ：キヤリア濃度、 ｄ：層厚 （ｎ・ｄ）_nex、（ｎ・ｄ）_nio：ｎ・ｄの最大値
及び最小値 （・）：ｎ：ｄの平均値 評価結果を第１表に示す。 "Industrial Application Field" The present invention relates to a gallium arsenide (hereinafter referred to as "GaAs") single crystal substrate. "Conventional technology" GaAs has higher electron mobility than silicon, so it is used in FETs (field effect transistors) and high-speed ICs in the UHF to SHF radio wave region.
It is used as a material for devices such as (integrated circuits). In order to create these devices, an epitaxial wafer is produced in which a GaAs single crystal thin film is grown by vapor phase epitaxial growth on a substrate cut from a GaAs single crystal, and in particular, the layer thickness and carrier concentration of the epitaxial layer are It is required that the surface is uniform and has a mirror surface, without terrace-like irregularities or protrusions due to abnormal growth [Compound Semiconductor device [I] pages 193-213].The properties of such an epitaxial wafer are as follows.
Although it is influenced by the crystallographic plane orientation of the single crystal substrate used, conventionally, as a single crystal substrate, the crystallographic plane orientation is included in the {100} plane with one {100} plane as a reference. A single-crystal substrate was used, the surface of which was tilted by 1° to 6° in the <110> direction, one of the four <110> directions. "Problems to be Solved by the Invention" A conventional GaAs single crystal substrate whose surface orientation is tilted from the {100} plane by 1° to 6° in the <110> direction included within that plane. When using this method, terrace-like irregularities do not occur on the surface of the resulting epitaxial wafer compared to when using a single crystal substrate whose surface crystallographic plane orientation is the {100} plane. However, it was not sufficient in terms of reducing protrusions due to abnormal growth and improving carrier concentration and layer thickness uniformity. Therefore, further improvements were needed to increase the manufacturing yield of devices. The present inventors have proposed GaAs which does not have such problems.
The present invention was achieved as a result of extensive research aimed at providing epitaxial wafers. "Means for Solving the Problems" The above object of the present invention is to change the crystallographic plane orientation of the surface of the substrate from that of one {100} plane to one {100} plane included within the {100} plane. 1° in the 100〉 direction
Achieved by a GaAs single crystal substrate tilted ~6°. That is, although the surface of the GaAs single crystal substrate of the present invention is originally based on the {100} plane,
Rather than the {100} plane itself, it needs to be slightly shifted (tilted). Therefore, in the present invention, in order to express the inclination of the substrate surface from the {100} plane, the substrate surface has a crystallographic plane orientation, and the direction of the inclination is expressed by four <100> planes included in the {100} plane. In any one direction and the magnitude of the tilt from 1° to 6°
This is stipulated in the following. To help with understanding, first, let's start with the GaAs shown in Figure 1.
The explanation will be based on a stereo projection view of a single crystal. The illustrated example is the case where the (100) plane is selected as the {100} plane that is the tilt reference. Therefore, the north pole of this stereo projection, that is, the center of the circle, represents the (100) plane. In other words, in FIG. 1, the crystallographic plane orientation of the (100) plane is projected as the center point. Now, the standard {100} plane is
In the case of a (100) plane, the <100> directions included in this {100} plane are four directions: [010], [001], [010], and [001]. These four <100>
Direction is indicated in this figure by four crosses spaced at 90° intervals on the circumference. Therefore, as defined in the present invention,
A surface tilted 1° to 6° from the (100) plane in the <100> direction is
In this diagram, from the center of the circle toward the four x marks,
It is projected onto four straight lines arranged radially at 90° intervals. Although the case where the (100) plane is selected as the reference {100} plane has been described, the present invention is not particularly limited to this case.
It goes without saying that cases where other five {100} planes are used as standards are also included in the scope of the present invention. Now, the magnitude of the inclination between the crystallographic plane orientation of the surface of the GaAs single crystal substrate of the present invention and that of one {100} plane serving as a reference is 1° to 6°, preferably,
Selected from the range of 1.5° to 3°. If the magnitude of this inclination is outside the above range, the surface of the obtained epitaxial wafer will not have a mirror surface, which is not preferable. In addition, the direction in which the substrate surface is tilted from the reference {100} plane is determined by the four <100> planes included in the {100} plane.
Any direction may be selected. Also,
The direction in which the substrate surface is tilted does not have to be the exact <100> direction, but may be substantially the <100> direction. For example, even if there is an error of about ±10° with respect to the <100> direction, the effects of the present invention can be fully exhibited. In addition, it is more preferable if it is within ±5°. The substrate of the present invention is obtained by slicing a GaAs single crystal grown by the boat growth method or the Czyochralski method using a stacing device. As a slicing device, it is normal to use an internal blade type slicing device and run pure water through the cutting part to remove cutting heat and cutting waste, but wire saw type slicing devices and other slicing devices A device may also be used. It is preferable to determine the surface orientation during slicing by using an X-ray diffraction method using a cut surface inspection device because high accuracy can be obtained. The thickness of the substrate typically ranges from 0.1 to 0.5 mm. In addition, on the surface of the substrate immediately after slicing,
Because of the damage known as saw marks, lapping and polishing are typically performed to remove the saw marks and to improve surface smoothness and parallelism between the front and back surfaces. "Effects of the Invention" The substrate of the present invention is extremely useful in providing epitaxial wafers with extremely good surface conditions and uniformity as shown in the following items when performing vapor phase epitaxial growth. (1) The number of protrusions due to abnormal growth observed on the surface of the wafer is reduced to 1/2 to 1/3 of that when a conventional substrate is used per the same area, and the size thereof is also reduced. (2) Excellent uniformity of epitaxial layer thickness. (3) The uniformity of carrier concentration in the epitaxial layer is also excellent. As a result, the use of epitaxial wafers manufactured from the substrate of the present invention improves the yield during device manufacturing, and has extremely high industrial utility value. "Example" The present invention will be specifically described based on Examples and Comparative Examples. Example Manufactured by boat growth method, length 350 mm,
A substrate with a thickness of 0.45 mm was cut from a chromium (Cr)-doped GaAs single crystal grown in the <111> As direction and having a semicircular cross section with a diameter of 50 mm. When cutting, a cut surface inspection device 2991E1 manufactured by Rigaku Denki Co., Ltd. was used to determine the surface orientation.
A "223DC" type slicing device manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd. was used. The plane orientation of the obtained substrate was tilted by 2.0° from that of the (100) plane toward the [010] direction. Comparative Example In the same manner as in the example, a 0.45 mm thick substrate was cut out from the (100) plane and had a surface inclined by 2.0° in the [011] direction. [Substrate evaluation] In order to evaluate the substrates obtained in the examples and comparative examples, the following equipment was used and the following method was used.
GaAs single crystal thin films were grown by vapor phase epitaxial growth. Furthermore, the evaluation method and results were as described below. Vapor Phase Epitaxial Growth Apparatus For vapor phase epitaxial growth, the apparatus shown in the vertical cross-sectional schematic diagram of FIG. 2 was used. In the same figure, 2 is the inner diameter
It is a quartz reactor with a length of 70 mm and a length of 1000 mm. 3 is
It is a gallium boat. 4 is a substrate mounting table. 5 is an atmospheric gas inlet. 6 is a growth gas inlet. 7 is a gas outlet. 8 is
9 is an electric furnace for heating a substrate, and 9 is an electric furnace for heating a gallium boat. 10 is a thermocouple insertion tube for temperature measurement. Vapor phase epitaxial growth method The substrates obtained in the examples and comparative examples were
After shaping into a circular shape, wrapping and polishing were performed to make the surface mirror-like. This substrate was placed on the substrate mounting table 4 of the vapor phase epitaxial growth apparatus shown in FIG. After introducing nitrogen gas from inlet 5 to replace the air in the reactor, the supply of nitrogen gas is stopped and hydrogen gas is introduced.
It was introduced at a rate of 2000ml/min. Using electric furnaces 8 and 9, the substrate temperature is 700℃ and the gallium boat is 850℃.
heated to ℃. This was followed by saturation with arsenic trichloride.
Hydrogen gas at a temperature of 30° C. was introduced from the inlet 6 at a rate of 120 ml/min for 15 minutes to grow an undoped GaAs epitaxial layer (so-called buffer layer). Then, while keeping the flow rates of other gases constant,
Further, hydrogen gas containing 30 ppm by weight of hydrogen sulfide was introduced from the inlet 6 at a rate of 25 ml/min for 5 minutes to grow an n-type GaAs epitaxial layer (so-called active layer). After stopping the supply of hydrogen containing arsenic trichloride and hydrogen gas containing hydrogen sulfide and lowering the temperature of the reactor to room temperature, the obtained epitaxial wafer was taken out. Evaluation Method and Results The obtained epitaxial wafer was evaluated by the following method. (1) The number and size of protrusions were measured using a polarizing microscope. That is, abnormal protrusion M ₁ with a height of 7 μm or more or a major axis of 50 μm or more, and a height of 7 μm
The number of abnormal projections M ₂ with a length of less than 50 μm and a major axis of less than 50 μm was counted for the entire wafer. (2) Carrier concentration was measured by the C-V method using a Semiconductor Profile Plotter manufactured by Polaron, UK. (3) The thickness of the entire epitaxial layer is determined by Kyowa Riken Co., Ltd.
The thickness was measured by the driller method using a K-69J150 type film thickness measurement driller. (4) Among the epitaxial layers, the thickness of the so-called active layer, which has a high carrier concentration, was determined from the change curve of the measured carrier concentration. (5) The carrier concentration and layer thickness in (2) to (4) above were measured at a total of 5 locations, the center and 4 locations around the epitaxial wafer (90° intervals). Each average value is a simple average value of the measured values at the five locations. (6) The carrier concentration and the uniformity of the layer thickness were expressed by the values produced by the following formula from the measured values in (5) above. {(1/2)・(x _nex −x _nio )/}×100 In the above formula, x _nex : Maximum value of the measured value x _nio : Same minimum value : Same average value (7) Uniformity of carrier concentration and layer thickness The overall evaluation is
The product of both measured values in (5) above was expressed as a value produced by the following formula. [1/2・{(n・d) _nex −(n−d) _nio } /(・)]×100 n: carrier concentration, d: layer thickness (n・d) _nex , (n・d) _nio : Maximum and minimum values of n and d (・): Average value of n: d The evaluation results are shown in Table 1.

【表】【table】

【表】 第１表に示した実施例及び比較例の評価結果か
ら明らかな通り、本発明の基板を用いると、得ら
れるエピタキシヤル・ウエハの表面状態は、極め
て良好であり、かつ、厚さ及びキヤリア濃度の均
一性は著しく向上する。[Table] As is clear from the evaluation results of the examples and comparative examples shown in Table 1, when the substrate of the present invention is used, the surface condition of the epitaxial wafer obtained is extremely good, and the thickness and the uniformity of carrier concentration is significantly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は、本発明の基板の１例について説明す
るGaAs単結晶のステレオ投影図である。第２図
は、横型気相エピタキシヤル成長装置の１例を示
す縦断面模型図である。 １……本発明の基板の面方位の範囲を示す、４
つの直線からなる投影図。２……反応器、３……
ガリウム・ボート、４……基板載置台、５……雰
囲気ガス入口、６……成長用ガス入口、７……ガ
ス出口、８，９……電気炉、１０……熱電対挿入
管。 FIG. 1 is a stereoscopic projection view of a GaAs single crystal explaining one example of the substrate of the present invention. FIG. 2 is a vertical cross-sectional model diagram showing an example of a horizontal vapor phase epitaxial growth apparatus. 1... Indicates the range of plane orientation of the substrate of the present invention, 4
A projection diagram consisting of two straight lines. 2...Reactor, 3...
Gallium boat, 4...Substrate mounting table, 5...Atmospheric gas inlet, 6...Growth gas inlet, 7...Gas outlet, 8, 9...Electric furnace, 10...Thermocouple insertion tube.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １ 基板の表面の結晶学的面方位が、１つの
｛100｝面のそれから、該｛100｝面に含まれる１
つの〈100〉方向に、1°〜6°傾いているひ化ガリ
ウム単結晶基板。 ２ 基板の表面の結晶学的面方位の傾きが、1.5°
〜3°である特許請求の範囲第１項記載のひ化ガリ
ウム単結晶基板。[Claims] 1. The crystallographic plane orientation of the surface of the substrate varies from that of one {100} plane to that of one plane included in the {100} plane.
Gallium arsenide single crystal substrate tilted 1° to 6° in the <100> direction. 2 The inclination of the crystallographic plane orientation of the surface of the substrate is 1.5°
The gallium arsenide single crystal substrate according to claim 1, wherein the gallium arsenide single crystal substrate has an angle of ˜3°.