ＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法
【課題】本発明は、ＧａＡｓ単結晶ウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、そのウエハ自身の反りや、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減し、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップ不良の発生が無いＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、半径方向歪をＳｒ、円柱接線方向歪をＳｔとするとき、半絶縁性ＧａＡｓウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、前記平面内の中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５未満であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５以上である領域及び前記外周部の[０ｌｌ]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５未満である領域が存在することを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法にある。
【解決手段】本発明は、半径方向歪をＳｒ、円柱接線方向歪をＳｔとするとき、半絶縁性ＧａＡｓウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、前記平面内の中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５未満であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５以上である領域及び前記外周部の[０ｌｌ]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５未満である領域が存在することを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規なＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半絶縁性ＧａＡｓ単結晶は、その製造方法の１つであるＬＥＣ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｃｚｃｈｒａｌｓｋｉ法）により製造される。
【０００３】
特許文献１においては、ＬＥＣ法によって、ＧａＡｓ単結晶として結晶中の残留歪みの平均値を１×１０−５以下とすること、その結晶成長法として成長中及び成長後の冷却中の結晶内の温度勾配を所定の値に維持し、結晶の冷却速度及び結晶中の回転速度を所定の値に維持することにより、スライス、研磨等の加工やその後のデバイスプロセス等の過程で割れにくいこと、単結晶基板上に成長した薄膜結晶層においてスリップ等の結晶欠陥が生じない化合物半導体単結晶及びその成長方法が示されている。
【０００４】
特許文献２においては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によりＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等のエピタキシャル層を成長させる表面を上に向けた時に中央部が低く、周辺部が高く同心円状に反っているウェハを用いてエピタキシャル成長させることにより、急激な温度変化が与えられても、ウェハ面内にスリップが発生し難いＭＯＶＰＥ用化合物半導体ウェハとその製造方法が示されている。
【０００５】
特許文献３には、ＬＥＣ法において、化合物半導体単結晶と原料融液との固液界面の化合物半導体単結晶を融液側に凸面形状に維持することにより多結晶化が生じないようにする化合物半導体単結晶の製造方法が示されている。
【０００６】
ＬＥＣ法での単結晶製造においては、多結晶化の原因となる転位は固液界面に垂直に伝播するため、固液界面の形状が融液側に凹面形状になると転位が集合して多結晶化してしまうために、その製造中の固相と液相との固液界面の形状について、その固相を液相の融液側に凸となる形状で行うように種々の構造や成長条件が提案されている。
【０００７】
特許文献４においては、ＬＥＣ法によって、ＧａＡｓ単結晶として、ウェハ面内の転移密度を３０，０００〜１００，０００個/ｃｍ２及び結晶中の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜を１.８×１０−５以下とすること、その結晶成長時における成長方向に沿った温度勾配を２０〜１５０℃/ｃｍとするもので、アニール処理後にスリップが発生しない半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウェハとその製造方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３３９１００号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４３６８号公報
【特許文献３】特開２００６−３２７８７９号公報
【特許文献４】特開２００８−１７４４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を成長させた後に、これをスライス加工して得られる半絶縁性ＧａＡｓウエハを基板にしてＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法等によりエピタキシャル成長させ、その後、リソグラフィー及びエッチング等の技術を駆使して電子デバイスや受発光デバイス等が作製される。
【００１０】
ここで、エピタキシャル成長させるＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜は、その下地ウエハであるＧａＡｓ等と組成が異なるため、格子定数や熱膨張係数が異なる。そのため、エピタキシャルウエハは高い歪みを有し、エピタキシャルウエハ全体を凸形状に反らせたりする。
【００１１】
また、上記のような製造プロセス中において、半絶縁性ＧａＡｓウエハは、何度か高温に晒される。例えば、ＭＯＶＰＥ法によるエピタキシャル成長では、ウエハを約８００℃まで昇温させ、エピタキシャル成長し、降温する工程があり、ウエハ自体が高温に晒されることになる。
【００１２】
図４は、単結晶ウエハのアニール処理後のスリップが発生した単結晶ウエハの平面模式図である。図４に示すように、格子定数が異なるエピタキシャル層を形成した化合物半導体ウエハは、少なからず反りを有しており、エピタキシャル成長後に降温させる際、もしくはエピタキシャル成長後のウエハアニール処理中の昇降温時、反り、つまり格子歪みを開放するべく、ウエハ１５上に、ウエハ１５の外周縁部から結晶方向に向かう直線状のすじ、つまりスリップ１６が発生する。
【００１３】
ウエハ１５に急激な温度変化を与えると、上記内部の歪みを開放するために結晶が一部移動し、それが結晶面の高さにずれを生じさせて、ウエハ表面に段差が生じる。これがスリップであり、結晶の開放端であるウエハ外周縁部から発生し、その段差は中心方向に伝搬され、外周縁部から中心に向かう直線状のすじとなって現れる。
【００１４】
ウエハの中央付近にはデバイス形成領域が位置しているため、スリップがデバイス領域に伝搬されると、デバイスに、断線等の不良が生じるといった問題があった。
【００１５】
スリップの発生を抑制するには、エピタキシャル成長後の降温速度やウエハアニール処理時の昇温速度及び降温速度を小さくすること等が効果的であるが、デバイスの特性を制御したり、安定させたりする上では昇温速度及び降温速度が大きい方が有利である場合が多いため、昇温速度及び降温速度を小さくすることは難しい。
【００１６】
特許文献２においては、そのため、あらかじめエピタキシャル成長用化合物半導体ウエハを、エピタキシャル層を成長させる表面を上側に向けた時に中央部が低く、かつ周辺部が高く同心円状に反った凹状とすることで、エピタキシャル成長後の反りを修正し、スリップの発生を抑止していた。
【００１７】
しかし、直径１５０ｍｍを超えるＧａＡｓウエハの大口径化に伴ない、ウエハを凹形状としても、ウエハの熱処理やエピタキシャル成長により、ウエハ外周縁部から中心に向かうスリップが発生しやすくなっている。
【００１８】
これはウエハの大口径化により、面内温度均一性を保つことが難しくなってきており、ウエハの反り形状による歪みを修正してもなお、中心部と外周縁部との温度不均一により発生する熱応力により歪みが開放され、結果としてウエハ外周縁部から中心に向かうスリップが発生する。これはＬＥＣ法やＶＢ法といったＧａＡｓ単結晶の製造方法に依らず発生が確認されており、直径１５０ｍｍを超えるＧａＡｓウエハ全体に当てはまる問題と言える。
【００１９】
特許文献１、４においては、スリップ発生を抑制する手段として、ウエハ面内の残留応力を小さくすることは大前提であったが、直径１５０ｍｍを超えるＧａＡｓ単結晶の製造では、結晶成長中の結晶外周部と結晶中心部での温度差により、どうしても結晶に残留応力が生じてしまう。この残留応力を解放する方法には、急峻な温度勾配を持つ熱処理を加えることにより、転位を発生させるというものがあるが、高転位密度のＧａＡｓウエハは、いわゆる「縦型デバイス」と呼ばれるものへの適用が困難とされる。
【００２０】
特許文献３においては、ＬＥＣ法による化合物単結晶の製造において多結晶化を防止するもので、スリップ発生とその抑制について何ら示されていない。
【００２１】
本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、ＧａＡｓ単結晶ウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、そのウエハ自身の反りや、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減し、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップの発生が無い大口径のＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、ＧａＡｓ単結晶ウエハの半径方向歪をＳｒ及びその円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、前記ウエハ平面内の残留応力の絶対値｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、前記平面の中心部で１．０×１０−５未満であり、前記平面の外周部で１．０×１０−５以上である領域及び前記外周部の[０１１]方向で１．０×１０−５未満である領域を有することを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハにある。
【００２３】
本発明は、ＧａＡｓ単結晶ウエハがそのウエハ平面内の転位密度（以下、ＥＰＤと称する）が３０,０００個／ｃｍ２以下であること、又、その外径が１００ｍｍφ以上であることが好ましい。
【００２４】
本発明において、円形状ウエハにおいて、その円形状の平面の中心点から外縁まで半径にて３等分したとき、中心点から２／３より外側を外周部、その内側を中心部とするものである。尚、中心部に残留応力の高い領域が存在する単結晶ウェハ（外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５以上の領域が内側に延びたもの、その領域と連続していなくても、中心部に残留応力の高い領域が存在するもの）は、後工程においてスリップの発生率が高くなるので、本発明には該当しないものである。
【００２５】
本発明は、サセプターに載置されたルツボを容器内に収納し、該ルツボ内に加熱によって溶融したＧａＡｓ融液と液体封止剤とを有し、種結晶を前記ＧａＡｓ融液からなる液相に接触させながら前記種結晶とルツボとを相対的に移動させてＧａＡｓ固相からなるＧａＡｓ単結晶を製造させるＧａＡｓ単結晶ウエハの製造方法において、
前記単結晶製造中の前記固相と液相との固液界面における前記固相の形状を前記液相側に凸状とし、該凸状となっている凸度｛前記融液と液体封止剤の界面から前記凸の先端部までの長さＴ１と前記単結晶外径Ｔ２との比（Ｔ１／Ｔ２）｝を０．２５以上、前記固液界面の前記相対的な移動方向における結晶成長速度Ｖ１を４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒ、及び、前記固相の冷却速度Ｖ２を５℃／ｈｒ以下とすることを特徴とする。
【００２６】
この製造法によって、半径方向歪をＳｒ、円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、半絶縁性ＧａＡｓウエハの平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面の中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５である領域を有し、また、ウエハ外周部の[０ｌｌ]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域が存在するＧａＡｓ単結晶ウエハが得られ、残留歪の高い（００１）面及び[０１０]方向と残留歪の小さい[０１１]方向の組合せにより、ＧａＡｓウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、ウエハ自身の反り形状や、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減でき、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップ不良の発生が無いＧａＡｓ単結晶ウエハが実現できる。
【００２７】
本発明は、半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を成長させた後に、その半絶縁性ＧａＡｓ単結晶をスライス加工して得られた半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハにおいて、半径方向歪をＳｒ、円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、前記半絶縁性ＧａＡｓウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面内の中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５である領域を有し、かつ、ウエハ外周部の[０１１]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域が存在し、好ましくは、ウエハ面内の転位密度（ＥＰＤ）が３００００個／ｃｍ２以下である半絶縁性ＧａＡｓウエハである。
【００２８】
ここで、ウエハ面内の残留応力を光弾性現象を利用して光学的に測定する方法を説明する。
【００２９】
光弾性現象とは、等方等質な弾性体に外力を加えることによって応力を生じ、結果として一時的に異方性となり、光学的に複屈折（光の偏光の向きによって屈折率が異なる）状態を生じる現象を言う。
【００３０】
光弾性現象を利用した測定方法では、応力が内在している結晶に赤外光を照射し、透過光の偏光面の回転角度を検知することで、応力の測定を行なう。ここで、入射された赤外光は、結晶中の残留応力により複屈折を生じ、偏光面によって屈折率が異なるため、その速度も変わり、位相差を生じる。結果として、主振動方位角と位相差から求められる透過光の偏光面が回転することになるが、その偏光面の回転角度の大きさは、以上の原理より、ウエハ内の残留応力に依存する。従って、偏光面の回転角度を検知することで残留応力が測定される。
【００３１】
本発明におけるＧａＡｓウエハ面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜の定義は、円柱座標での半径方向歪であるＳｒと、円周面の接線方向歪であるＳｔとの差の絶対値｜Ｓｒ−Ｓｔ｜として算出するものである。残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜は、式（１）で定義される。
〔式１〕
【００３２】
（λ：光源光の波長、ｄ：ウエハの厚さ、ｎｏ：屈折率、δ：サンプルの複屈折により生じる位相差、φ：主振動方位角、Ｐ11、Ｐ12、Ｐ44：光弾性定数）
式（１）から明らかなように、位相差δと主振動方位角φを測定すれば、ウエハの残留歪みである｜Ｓｒ−Ｓｔ｜を算出することができる。
【００３３】
尚、特許文献４では、スリップ発生率の臨界点として、｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＝１.８×１０−５とすることを見出している。しかし、本発明者はさらに研究を重ね、ウエハ平面内の中心部及び外周部の[０１１]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域を有する半絶縁性ＧａＡｓウエハにおいては、（００ｌ）面及び[０１０]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.８×１０−５を越えてもスリップの発生が抑制されることを見出した。
【００３４】
これにより、転位を導入することなくスリップ発生の無いＧａＡｓウエハが実現される。
【００３５】
本発明は、前述のように、固液界面の凸度（Ｔ１／Ｔ２）を０.２５以上に制御することにより、製造される半絶縁性ＧａＡｓウエハで、前記半絶縁性ＧａＡｓウエハ面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面内の中心部で１.０×１０−５未満であり、その外周部で１.０×１０−５以上である領域を形成することができる。
【００３６】
また、その固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖ１を４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒに制御することにより、製造される半絶縁性ＧａＡｓウエハ面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ外周部の[０１１]方向で１.０×１０−５未満である領域を形成することができる。すなわち、結晶の成長速度は、結晶の配列性に強く影響しており、結晶の成長速度が遅いほど、結晶は応力を均等にしようと配列する。つまり、結晶の成長速度を早くすることで、特定の方位に残留応力を偏らせることが可能となる。ただし、残留応力が大きすぎると、応力解放のために転位の導入が起こる。そこで、結晶成長時における、固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖｌを４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒに制御することにより、転位の発生をコントロールしつつ、残留応力の偏りをコントロールして、ウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜を、ウエハ外周部の[０１１]方向で１.０×１０−５未満であり、（００１）面及び[０１０]方向で１.０×１０−５以上であるようにすることができる。ただし、そのように成長した結晶の冷却速度Ｖ２は５℃／ｈｒ以下であるようにすることが必要である。
【００３７】
すなわち、結晶の冷却は、結晶表面から冷却されることで、結晶内部との温度差が生じるため、熱応力が生じる。つまり、結晶の冷却速度を小さくすることで、冷却過程における熱応力の発生を抑え、応力解放のための転位の導入を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、ＧａＡｓ単結晶ウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、そのウエハ自身の反りや、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減し、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップ不良の発生が無い大口径のＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のＬＥＣ法により半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を製造するＧａＡｓ単結晶製造装置の概略図である。
【図２】本発明の化合物半導体単結晶の製造方法による、成長途中での固相である結晶とその融液との界面である固液界面を例示した概略図である。
【図３】本発明が目的とする残留応力パターンを持つ単結晶ウエハの平面模式図である。
【図４】比較例に係る単結晶ウエハのアニール処理後のスリップの発生状況を示す単結晶ウエハの平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、ＬＥＣ法により半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を製造するＧａＡｓ単結晶製造装置の断面図である。図１に示すように、不活性雰囲気ガス７で満たされた炉体部分である高圧容器８からなる成長炉には、単結晶を引上げる為の引上げ軸（上軸）９が設けられ、引上げ軸９の先端に、種結晶（シード結晶）２が取り付けられる。引上げ軸９は、成長炉の上方から炉内に挿入され、炉内に設置されているルツボ４に対峙される。ルツボ４は、サセプタ１０を介して回転及び昇降自在なペデスタル（下軸）１１に支持される。ルツボ４には、単結晶３となる原料５、例えば、III族原料、Ｖ族原料と、液体封止材６として、例えば、Ｂ２Ｏ３とが収容される。ペデスタルｌｌは成長炉の下方より引上げ軸９と同心に成長炉内に挿入され、サセプタ１０はペデスタル１１の上端に固定される。ペデスタルｌｌ、引上げ軸９はそれぞれ回転装置（図示せず）により回転され、昇降装置（図示せず）により昇降される。
【００４１】
また、成長炉には、原料５及び液体封止材６を溶融する加熱手段として、上部ヒータ１２と下部ヒータ１３、上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の温度を制御する温度コントローラ（図示せず）とが設けられ、ペデスタルｌｌにはルツボ４内の原料５及び液体封止材６の温度を検出するための温度検出手段として熱電対１４が設けられる。上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３は、サセプタ１０を円周方向に沿って包囲するように成長炉内にサセプタ１０と同心に設置され、熱電対１４はペデスタル１１の軸内上部に設置され、ルツボ４を加熱し主に結晶の外径を制御する役割を有する上部ヒータ１２及び主に固液界面形状を制御する役割を有する下部ヒータ１３を有する構造となっている。
【００４２】
ＧａＡｓ単結晶を製造する際は、まず、炉内が所定圧の不活性ガス雰囲気に保持される。ルツボ４に原料としてIII族、Ｖ族原料を収容した場合、不活性ガスの圧力は、原料５からのＶ族原料の解離を防止する圧力に設定される。次に、温度コントローラにより上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３が加熱される。ルツボ４の温度が上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の加熱により液体封止材６の溶融温度に到達すると、液体封止材６が溶融する。上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の温度が原料５の溶融温度に到達すると原料５が溶融する。このとき、液体封止材６の比重よりも、一般に、原料５の融液の比重が大きいので液体封止材６により、原料融液の表面が覆われる。これにより、原料５の融液からのＶ族元素の解離が防止される。
【００４３】
結晶成長の際は、引上げ軸９の先端に固定された種結晶２を原料５の融液に接触させ、この状態で温度コントローラのフィードバック制御によって上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の温度を徐々に低下させながらゆっくりと引上げていく。こうすることで、結晶が成長し、成長単結晶３が液体封止材６を貫いて引上げられていく。この結晶の成長中は、結晶頭部から非酸化性ガスを吹き付けて、軸方向での温度勾配を制御するもので、非酸化性ガスを吹き付け領域、その温度及びその流量を適宜調整しながら行った。
【００４４】
また、結晶の成長の進行に伴ってルツボ４内の融液が減少すると、必然的に液面位置が下がり、上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３と結晶成長界面の位置関係が変化し、融液を効率良く加熱することが難しくなってしまう。このため、結晶の成長量から液面の低下量を算出してこれを補正するように昇降装置を制御し、ペデスタルｌｌを徐々に上昇させて、ルツボ４の位置を調整し、融液の液面を、上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の発熱帯に対して常に一定の位置に調節する制御が実行される。
【００４５】
図１に示すＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶製造装置を用いてＧａＡｓ単結晶を製造した。ｐＢＮ製のルツボ４にＧａＡｓ多結晶４０，０００ｇ、液体封止剤６として三酸化棚素２，５００ｇを入れ、高圧容器８に収納し、高圧容器８内の圧力が９.０ｋｇ／ｃｍ２になるように不活性雰囲気ガス７を充填する。充填後、上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３により加熱することで、三酸化硼素、ＧａＡｓ多結晶を融解させ、温度を調整し、種付けを行い、結晶径φ１５０ｍｍの結晶３を固液界面での固相の凸度を上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３により制御して成長させ、結晶全長３００ｍｍのＧａＡｓ単結晶を成長させた。
【００４６】
本実施例におけるＧａＡｓ単結晶製造装置は、炉体部分である高圧容器８と、単結晶引き上げるために種結晶２を有する引き上げ軸（上軸）９、原料融液５及び液体封止剤６の容器であるルツボ４、このルツボ４を受けるためのペデスタル１１、ルツボ４を加熱し主に結晶の外径を制御する役割を有する上部ヒータ１２及び主に固液界面形状を制御する役割を有する下部ヒータ１３を有する構造となっている。
【００４７】
図２は、本実施の形態においてＧａＡｓ単結晶を製造するに際し、結晶製造中の固相と液相の界面（固液界面）での固相の形状を融液の側に凸となっており、その凸度｛融液と液体封止剤の界面から融液側結晶先端部までの長さＴｌと結晶外径Ｔ２との比（Ｔｌ／Ｔ２）｝を０.１５〜０.３５と変化させた。
【００４８】
即ち、多結晶化の原因となる転位は、固液界面に垂直に伝播することによるもので、固液界面での固相の形状が融液側に凹面形状になると転位が集合して多結晶化してしまうので、本実施例のＬＥＣ法ではその結晶製造中の固相と液相との固液界面での固相の形状を液相の融液側に凸となる形状で行うものである。
【００４９】
本実施の形態においては、その固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖｌを３ｍｍ／ｈｒ〜８ｍｍ／ｈｒ及び成長後の結晶冷却速度Ｖ２を２〜６℃／ｈｒと種々変化させて製造した。
【００５０】
又、本実施形態においては、ＧａＡｓ単結晶の結晶成長時における、凸度｛融液と液体封止剤の界面から融液側結晶先端部までの長さＴｌと結晶外径Ｔ２との比（Ｔｌ／Ｔ２）｝を０.２５〜０.３５とし、固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖｌを４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒ及び成長した結晶の冷却速度Ｖ２を２〜５℃／ｈｒに制御する固液界面凸度、結晶成長速度、結晶冷却速度の３つのパラメータの組み合わせ、転位の発生をコントロールすることによって、残留応力の偏りをコントロールして、ウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜を、ウエハ平面内の中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５であり、かつ、ウエハ外周部の[０１１]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５とすることができると共に、（００１）面及び[０１０]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５であるようにすることができた。
【００５１】
図３は、本発明が目的とする残留応力パターンを持つ単結晶ウエハの平面模式図である。図３に示すように、本発明が目的とする残留応力パターンは、ウエハ平面内の中心部での｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５未満である領域１７と、｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５以上である領域１８とからなり、領域１８が単結晶ウエハを９０度の間隔で形成され、外周部の３分の１以内の領域で、中心から約４５°以内の角度で外周部に扇状に広がった形状に形成される。
【００５２】
本実施形態においては、多種類の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハを製造し、それらの半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハの残留応力及びＥＰＤの範囲が本発明で要求される平面形状を満たすか否か、及びそれらの半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハにアニール処理を施し、スリップ発生率について、調査した。なお、使用する半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハの厚みは６２５μｍとした。
【００５３】
表１は、結晶冷却速度が２℃／ｈｒ、表２は結晶冷却速度が４℃／ｈｒ、表３は結晶冷却速度が６℃／ｈｒのサンプルから得られたものであり、各表において、固液界面凸度０.１５〜０.３５、結晶成長速度３ｍｍ/ｈｒ〜８ｍｍ/ｈｒの両パラメータが交差する欄に本発明を満たすウエハの取得率を上段に、スリップ発生率を下段に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【００５７】
表１〜表３から分かるように、前述の残留応力を有する本発明に相当するサンプルが９０％以上取得できたものは、網掛けされた表示のもので、結晶冷却速度が２℃／ｈｒ及び結晶冷却速度が４℃／ｈｒのいずれにおいても固液界面凸度０.２５〜０.３５、結晶成長速度４ｍｍ/ｈｒ〜７ｍｍ/ｈｒによって得られ、そのもののスリップ発生率が１０％以下と低いを示している。
【００５８】
つまり、本実施形態における本発明においては、半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面内で、中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５である領域を有し、かつ、ウエハ外周部の[０ｌｌ]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域が存在し、スリップ発生率が１０％以下であり、更に、ウエハ面内の転位密度（ＥＰＤ）が１０００個／ｃｍ２を有し、３０,０００個／ｃｍ２以下である。
【００５９】
しかし、前述の本発明の結晶冷却速度２℃／ｈｒ及び４℃／ｈｒにおける結晶成長速度、固液界面凸度以外の範囲、又、結晶冷却速度が６℃／ｈｒでは、固液界面凸度０.１５〜０.３５、及び、結晶成長速度３ｍｍ/ｈｒ〜８ｍｍ/ｈｒのいずれにおいては、一部に、スリップ発生率が５％と低いものもあるが、本発明の前述の残留応力を満たすウエハの取得率が９０％に達せず、又、転位密度（ＥＰＤ）が１００,０００個／ｃｍ２を超えており、縦型デバイスへの適用が困難であった。
【００６０】
本実施形態のうちの本発明に係るＧａＡｓ単結晶ウェハの外周部のユニバーサル硬度は、４３００Ｎ／ｍｍ２（ＭＰａ）以上であり、その中心部及びウェハ外周部の[０１１]方向におけるユニバーサル硬度は、４０００Ｎ／ｍｍ２（ＭＰａ）であり、４回対称領域の硬度よりも高い。このユニバーサル硬度の測定には、超微小硬度測定器「フィッシャースコープＨ−１００」（フィッシャーインストルメント社製）を用いた。この超微小硬度測定器は、四角錘又は三角錘形状の圧子を被測定物に押し込むことで生じる被測定物にできる凹みの表面積をその押し込み深さから算出される。
【００６１】
本実施形態に示すように、ＬＥＣ法によりＧａＡｓ単結晶を製造するに際し、結晶製造中の固相と液相の界面（固液界面）の形状が融液の側に凸となっており、その凸度｛融液と液体封止剤の界面から融液側結晶先端部までの長さＴｌと結晶外径Ｔ２との比（Ｔｌ／Ｔ２）｝が０.２５以上であり、その固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖｌが４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒであり、成長後の結晶冷却速度Ｖ２が−５℃／ｈｒ以下とすることにより、半径方向歪をＳｒ、円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、半絶縁性ＧａＡｓウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面内で、中心部でｌＳｒ−Ｓｔｌ＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５である領域を有し、また、ウエハ外周部の[０ｌｌ]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域が存在するＧａＡｓ単結晶ウエハが得られ、残留歪の高い（００１）面及び[０１０]方向と残留歪の小さい[０１１]方向の組合せにより、ＧａＡｓウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、ウエハ自身の反りや、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減し、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップ不良の発生が無い大口径のＧａＡｓ単結晶ウエハが実現できる。
【００６２】
又、本実施形態によって半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を製造した後には、これをスライス加工して得られる半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハを基板にしてＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法等によりエピタキシャル成長させ、その後、リソグラフィー及びエッチング等の技術を駆使して電子デバイスや受発光デバイス等が作製される。
【００６３】
そして、エピタキシャル成長させるＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜は、その下地のＧａＡｓ単結晶と組成が異なるため、格子定数や熱膨張係数が異なり、そのため、ＭＯＶＰＥ法によるエピタキシャル成長では、ウエハを約８００℃まで昇温させて、エピタキシャル成長させた後、降温する工程があり、ウエハ自体が高温に晒されることになるためにエピタキシャルさせたＧａＡｓ単結晶ウエハは高い歪みを有し、そのウエハ全体を凸形状に反らせたりするが、本発明の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハを基板に用いることによりその反りを少なくできる。
【００６４】
本実施形態によれば、ＧａＡｓ単結晶ウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、そのウエハ自身の反りや、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減し、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップ不良の発生が無い直径１５０ｍｍ以上の大口径のＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１…固液界面、２…種結晶、３…単結晶、４…ルツボ、５…原料、６…液体封止剤、７…雰囲気ガス、８…高圧容器、９…引上げ軸、１０…サセプタ、１１…ペデスタル、１２…上部ヒータ、１３…下部ヒータ、１４…熱電対、１５…ウエハアニール処理後のウエハ、１６…スリップ、１７…残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５未満である領域、１８…残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５以上の領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規なＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半絶縁性ＧａＡｓ単結晶は、その製造方法の１つであるＬＥＣ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｃｚｃｈｒａｌｓｋｉ法）により製造される。
【０００３】
特許文献１においては、ＬＥＣ法によって、ＧａＡｓ単結晶として結晶中の残留歪みの平均値を１×１０−５以下とすること、その結晶成長法として成長中及び成長後の冷却中の結晶内の温度勾配を所定の値に維持し、結晶の冷却速度及び結晶中の回転速度を所定の値に維持することにより、スライス、研磨等の加工やその後のデバイスプロセス等の過程で割れにくいこと、単結晶基板上に成長した薄膜結晶層においてスリップ等の結晶欠陥が生じない化合物半導体単結晶及びその成長方法が示されている。
【０００４】
特許文献２においては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によりＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等のエピタキシャル層を成長させる表面を上に向けた時に中央部が低く、周辺部が高く同心円状に反っているウェハを用いてエピタキシャル成長させることにより、急激な温度変化が与えられても、ウェハ面内にスリップが発生し難いＭＯＶＰＥ用化合物半導体ウェハとその製造方法が示されている。
【０００５】
特許文献３には、ＬＥＣ法において、化合物半導体単結晶と原料融液との固液界面の化合物半導体単結晶を融液側に凸面形状に維持することにより多結晶化が生じないようにする化合物半導体単結晶の製造方法が示されている。
【０００６】
ＬＥＣ法での単結晶製造においては、多結晶化の原因となる転位は固液界面に垂直に伝播するため、固液界面の形状が融液側に凹面形状になると転位が集合して多結晶化してしまうために、その製造中の固相と液相との固液界面の形状について、その固相を液相の融液側に凸となる形状で行うように種々の構造や成長条件が提案されている。
【０００７】
特許文献４においては、ＬＥＣ法によって、ＧａＡｓ単結晶として、ウェハ面内の転移密度を３０，０００〜１００，０００個/ｃｍ２及び結晶中の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜を１.８×１０−５以下とすること、その結晶成長時における成長方向に沿った温度勾配を２０〜１５０℃/ｃｍとするもので、アニール処理後にスリップが発生しない半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウェハとその製造方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３３９１００号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４３６８号公報
【特許文献３】特開２００６−３２７８７９号公報
【特許文献４】特開２００８−１７４４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を成長させた後に、これをスライス加工して得られる半絶縁性ＧａＡｓウエハを基板にしてＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法等によりエピタキシャル成長させ、その後、リソグラフィー及びエッチング等の技術を駆使して電子デバイスや受発光デバイス等が作製される。
【００１０】
ここで、エピタキシャル成長させるＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜は、その下地ウエハであるＧａＡｓ等と組成が異なるため、格子定数や熱膨張係数が異なる。そのため、エピタキシャルウエハは高い歪みを有し、エピタキシャルウエハ全体を凸形状に反らせたりする。
【００１１】
また、上記のような製造プロセス中において、半絶縁性ＧａＡｓウエハは、何度か高温に晒される。例えば、ＭＯＶＰＥ法によるエピタキシャル成長では、ウエハを約８００℃まで昇温させ、エピタキシャル成長し、降温する工程があり、ウエハ自体が高温に晒されることになる。
【００１２】
図４は、単結晶ウエハのアニール処理後のスリップが発生した単結晶ウエハの平面模式図である。図４に示すように、格子定数が異なるエピタキシャル層を形成した化合物半導体ウエハは、少なからず反りを有しており、エピタキシャル成長後に降温させる際、もしくはエピタキシャル成長後のウエハアニール処理中の昇降温時、反り、つまり格子歪みを開放するべく、ウエハ１５上に、ウエハ１５の外周縁部から結晶方向に向かう直線状のすじ、つまりスリップ１６が発生する。
【００１３】
ウエハ１５に急激な温度変化を与えると、上記内部の歪みを開放するために結晶が一部移動し、それが結晶面の高さにずれを生じさせて、ウエハ表面に段差が生じる。これがスリップであり、結晶の開放端であるウエハ外周縁部から発生し、その段差は中心方向に伝搬され、外周縁部から中心に向かう直線状のすじとなって現れる。
【００１４】
ウエハの中央付近にはデバイス形成領域が位置しているため、スリップがデバイス領域に伝搬されると、デバイスに、断線等の不良が生じるといった問題があった。
【００１５】
スリップの発生を抑制するには、エピタキシャル成長後の降温速度やウエハアニール処理時の昇温速度及び降温速度を小さくすること等が効果的であるが、デバイスの特性を制御したり、安定させたりする上では昇温速度及び降温速度が大きい方が有利である場合が多いため、昇温速度及び降温速度を小さくすることは難しい。
【００１６】
特許文献２においては、そのため、あらかじめエピタキシャル成長用化合物半導体ウエハを、エピタキシャル層を成長させる表面を上側に向けた時に中央部が低く、かつ周辺部が高く同心円状に反った凹状とすることで、エピタキシャル成長後の反りを修正し、スリップの発生を抑止していた。
【００１７】
しかし、直径１５０ｍｍを超えるＧａＡｓウエハの大口径化に伴ない、ウエハを凹形状としても、ウエハの熱処理やエピタキシャル成長により、ウエハ外周縁部から中心に向かうスリップが発生しやすくなっている。
【００１８】
これはウエハの大口径化により、面内温度均一性を保つことが難しくなってきており、ウエハの反り形状による歪みを修正してもなお、中心部と外周縁部との温度不均一により発生する熱応力により歪みが開放され、結果としてウエハ外周縁部から中心に向かうスリップが発生する。これはＬＥＣ法やＶＢ法といったＧａＡｓ単結晶の製造方法に依らず発生が確認されており、直径１５０ｍｍを超えるＧａＡｓウエハ全体に当てはまる問題と言える。
【００１９】
特許文献１、４においては、スリップ発生を抑制する手段として、ウエハ面内の残留応力を小さくすることは大前提であったが、直径１５０ｍｍを超えるＧａＡｓ単結晶の製造では、結晶成長中の結晶外周部と結晶中心部での温度差により、どうしても結晶に残留応力が生じてしまう。この残留応力を解放する方法には、急峻な温度勾配を持つ熱処理を加えることにより、転位を発生させるというものがあるが、高転位密度のＧａＡｓウエハは、いわゆる「縦型デバイス」と呼ばれるものへの適用が困難とされる。
【００２０】
特許文献３においては、ＬＥＣ法による化合物単結晶の製造において多結晶化を防止するもので、スリップ発生とその抑制について何ら示されていない。
【００２１】
本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、ＧａＡｓ単結晶ウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、そのウエハ自身の反りや、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減し、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップの発生が無い大口径のＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、ＧａＡｓ単結晶ウエハの半径方向歪をＳｒ及びその円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、前記ウエハ平面内の残留応力の絶対値｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、前記平面の中心部で１．０×１０−５未満であり、前記平面の外周部で１．０×１０−５以上である領域及び前記外周部の[０１１]方向で１．０×１０−５未満である領域を有することを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハにある。
【００２３】
本発明は、ＧａＡｓ単結晶ウエハがそのウエハ平面内の転位密度（以下、ＥＰＤと称する）が３０,０００個／ｃｍ２以下であること、又、その外径が１００ｍｍφ以上であることが好ましい。
【００２４】
本発明において、円形状ウエハにおいて、その円形状の平面の中心点から外縁まで半径にて３等分したとき、中心点から２／３より外側を外周部、その内側を中心部とするものである。尚、中心部に残留応力の高い領域が存在する単結晶ウェハ（外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５以上の領域が内側に延びたもの、その領域と連続していなくても、中心部に残留応力の高い領域が存在するもの）は、後工程においてスリップの発生率が高くなるので、本発明には該当しないものである。
【００２５】
本発明は、サセプターに載置されたルツボを容器内に収納し、該ルツボ内に加熱によって溶融したＧａＡｓ融液と液体封止剤とを有し、種結晶を前記ＧａＡｓ融液からなる液相に接触させながら前記種結晶とルツボとを相対的に移動させてＧａＡｓ固相からなるＧａＡｓ単結晶を製造させるＧａＡｓ単結晶ウエハの製造方法において、
前記単結晶製造中の前記固相と液相との固液界面における前記固相の形状を前記液相側に凸状とし、該凸状となっている凸度｛前記融液と液体封止剤の界面から前記凸の先端部までの長さＴ１と前記単結晶外径Ｔ２との比（Ｔ１／Ｔ２）｝を０．２５以上、前記固液界面の前記相対的な移動方向における結晶成長速度Ｖ１を４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒ、及び、前記固相の冷却速度Ｖ２を５℃／ｈｒ以下とすることを特徴とする。
【００２６】
この製造法によって、半径方向歪をＳｒ、円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、半絶縁性ＧａＡｓウエハの平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面の中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５である領域を有し、また、ウエハ外周部の[０ｌｌ]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域が存在するＧａＡｓ単結晶ウエハが得られ、残留歪の高い（００１）面及び[０１０]方向と残留歪の小さい[０１１]方向の組合せにより、ＧａＡｓウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、ウエハ自身の反り形状や、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減でき、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップ不良の発生が無いＧａＡｓ単結晶ウエハが実現できる。
【００２７】
本発明は、半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を成長させた後に、その半絶縁性ＧａＡｓ単結晶をスライス加工して得られた半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハにおいて、半径方向歪をＳｒ、円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、前記半絶縁性ＧａＡｓウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面内の中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５である領域を有し、かつ、ウエハ外周部の[０１１]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域が存在し、好ましくは、ウエハ面内の転位密度（ＥＰＤ）が３００００個／ｃｍ２以下である半絶縁性ＧａＡｓウエハである。
【００２８】
ここで、ウエハ面内の残留応力を光弾性現象を利用して光学的に測定する方法を説明する。
【００２９】
光弾性現象とは、等方等質な弾性体に外力を加えることによって応力を生じ、結果として一時的に異方性となり、光学的に複屈折（光の偏光の向きによって屈折率が異なる）状態を生じる現象を言う。
【００３０】
光弾性現象を利用した測定方法では、応力が内在している結晶に赤外光を照射し、透過光の偏光面の回転角度を検知することで、応力の測定を行なう。ここで、入射された赤外光は、結晶中の残留応力により複屈折を生じ、偏光面によって屈折率が異なるため、その速度も変わり、位相差を生じる。結果として、主振動方位角と位相差から求められる透過光の偏光面が回転することになるが、その偏光面の回転角度の大きさは、以上の原理より、ウエハ内の残留応力に依存する。従って、偏光面の回転角度を検知することで残留応力が測定される。
【００３１】
本発明におけるＧａＡｓウエハ面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜の定義は、円柱座標での半径方向歪であるＳｒと、円周面の接線方向歪であるＳｔとの差の絶対値｜Ｓｒ−Ｓｔ｜として算出するものである。残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜は、式（１）で定義される。
〔式１〕
【００３２】
（λ：光源光の波長、ｄ：ウエハの厚さ、ｎｏ：屈折率、δ：サンプルの複屈折により生じる位相差、φ：主振動方位角、Ｐ11、Ｐ12、Ｐ44：光弾性定数）
式（１）から明らかなように、位相差δと主振動方位角φを測定すれば、ウエハの残留歪みである｜Ｓｒ−Ｓｔ｜を算出することができる。
【００３３】
尚、特許文献４では、スリップ発生率の臨界点として、｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＝１.８×１０−５とすることを見出している。しかし、本発明者はさらに研究を重ね、ウエハ平面内の中心部及び外周部の[０１１]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域を有する半絶縁性ＧａＡｓウエハにおいては、（００ｌ）面及び[０１０]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.８×１０−５を越えてもスリップの発生が抑制されることを見出した。
【００３４】
これにより、転位を導入することなくスリップ発生の無いＧａＡｓウエハが実現される。
【００３５】
本発明は、前述のように、固液界面の凸度（Ｔ１／Ｔ２）を０.２５以上に制御することにより、製造される半絶縁性ＧａＡｓウエハで、前記半絶縁性ＧａＡｓウエハ面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面内の中心部で１.０×１０−５未満であり、その外周部で１.０×１０−５以上である領域を形成することができる。
【００３６】
また、その固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖ１を４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒに制御することにより、製造される半絶縁性ＧａＡｓウエハ面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ外周部の[０１１]方向で１.０×１０−５未満である領域を形成することができる。すなわち、結晶の成長速度は、結晶の配列性に強く影響しており、結晶の成長速度が遅いほど、結晶は応力を均等にしようと配列する。つまり、結晶の成長速度を早くすることで、特定の方位に残留応力を偏らせることが可能となる。ただし、残留応力が大きすぎると、応力解放のために転位の導入が起こる。そこで、結晶成長時における、固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖｌを４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒに制御することにより、転位の発生をコントロールしつつ、残留応力の偏りをコントロールして、ウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜を、ウエハ外周部の[０１１]方向で１.０×１０−５未満であり、（００１）面及び[０１０]方向で１.０×１０−５以上であるようにすることができる。ただし、そのように成長した結晶の冷却速度Ｖ２は５℃／ｈｒ以下であるようにすることが必要である。
【００３７】
すなわち、結晶の冷却は、結晶表面から冷却されることで、結晶内部との温度差が生じるため、熱応力が生じる。つまり、結晶の冷却速度を小さくすることで、冷却過程における熱応力の発生を抑え、応力解放のための転位の導入を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、ＧａＡｓ単結晶ウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、そのウエハ自身の反りや、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減し、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップ不良の発生が無い大口径のＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のＬＥＣ法により半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を製造するＧａＡｓ単結晶製造装置の概略図である。
【図２】本発明の化合物半導体単結晶の製造方法による、成長途中での固相である結晶とその融液との界面である固液界面を例示した概略図である。
【図３】本発明が目的とする残留応力パターンを持つ単結晶ウエハの平面模式図である。
【図４】比較例に係る単結晶ウエハのアニール処理後のスリップの発生状況を示す単結晶ウエハの平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、ＬＥＣ法により半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を製造するＧａＡｓ単結晶製造装置の断面図である。図１に示すように、不活性雰囲気ガス７で満たされた炉体部分である高圧容器８からなる成長炉には、単結晶を引上げる為の引上げ軸（上軸）９が設けられ、引上げ軸９の先端に、種結晶（シード結晶）２が取り付けられる。引上げ軸９は、成長炉の上方から炉内に挿入され、炉内に設置されているルツボ４に対峙される。ルツボ４は、サセプタ１０を介して回転及び昇降自在なペデスタル（下軸）１１に支持される。ルツボ４には、単結晶３となる原料５、例えば、III族原料、Ｖ族原料と、液体封止材６として、例えば、Ｂ２Ｏ３とが収容される。ペデスタルｌｌは成長炉の下方より引上げ軸９と同心に成長炉内に挿入され、サセプタ１０はペデスタル１１の上端に固定される。ペデスタルｌｌ、引上げ軸９はそれぞれ回転装置（図示せず）により回転され、昇降装置（図示せず）により昇降される。
【００４１】
また、成長炉には、原料５及び液体封止材６を溶融する加熱手段として、上部ヒータ１２と下部ヒータ１３、上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の温度を制御する温度コントローラ（図示せず）とが設けられ、ペデスタルｌｌにはルツボ４内の原料５及び液体封止材６の温度を検出するための温度検出手段として熱電対１４が設けられる。上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３は、サセプタ１０を円周方向に沿って包囲するように成長炉内にサセプタ１０と同心に設置され、熱電対１４はペデスタル１１の軸内上部に設置され、ルツボ４を加熱し主に結晶の外径を制御する役割を有する上部ヒータ１２及び主に固液界面形状を制御する役割を有する下部ヒータ１３を有する構造となっている。
【００４２】
ＧａＡｓ単結晶を製造する際は、まず、炉内が所定圧の不活性ガス雰囲気に保持される。ルツボ４に原料としてIII族、Ｖ族原料を収容した場合、不活性ガスの圧力は、原料５からのＶ族原料の解離を防止する圧力に設定される。次に、温度コントローラにより上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３が加熱される。ルツボ４の温度が上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の加熱により液体封止材６の溶融温度に到達すると、液体封止材６が溶融する。上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の温度が原料５の溶融温度に到達すると原料５が溶融する。このとき、液体封止材６の比重よりも、一般に、原料５の融液の比重が大きいので液体封止材６により、原料融液の表面が覆われる。これにより、原料５の融液からのＶ族元素の解離が防止される。
【００４３】
結晶成長の際は、引上げ軸９の先端に固定された種結晶２を原料５の融液に接触させ、この状態で温度コントローラのフィードバック制御によって上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の温度を徐々に低下させながらゆっくりと引上げていく。こうすることで、結晶が成長し、成長単結晶３が液体封止材６を貫いて引上げられていく。この結晶の成長中は、結晶頭部から非酸化性ガスを吹き付けて、軸方向での温度勾配を制御するもので、非酸化性ガスを吹き付け領域、その温度及びその流量を適宜調整しながら行った。
【００４４】
また、結晶の成長の進行に伴ってルツボ４内の融液が減少すると、必然的に液面位置が下がり、上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３と結晶成長界面の位置関係が変化し、融液を効率良く加熱することが難しくなってしまう。このため、結晶の成長量から液面の低下量を算出してこれを補正するように昇降装置を制御し、ペデスタルｌｌを徐々に上昇させて、ルツボ４の位置を調整し、融液の液面を、上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３の発熱帯に対して常に一定の位置に調節する制御が実行される。
【００４５】
図１に示すＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶製造装置を用いてＧａＡｓ単結晶を製造した。ｐＢＮ製のルツボ４にＧａＡｓ多結晶４０，０００ｇ、液体封止剤６として三酸化棚素２，５００ｇを入れ、高圧容器８に収納し、高圧容器８内の圧力が９.０ｋｇ／ｃｍ２になるように不活性雰囲気ガス７を充填する。充填後、上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３により加熱することで、三酸化硼素、ＧａＡｓ多結晶を融解させ、温度を調整し、種付けを行い、結晶径φ１５０ｍｍの結晶３を固液界面での固相の凸度を上部ヒータ１２及び下部ヒータ１３により制御して成長させ、結晶全長３００ｍｍのＧａＡｓ単結晶を成長させた。
【００４６】
本実施例におけるＧａＡｓ単結晶製造装置は、炉体部分である高圧容器８と、単結晶引き上げるために種結晶２を有する引き上げ軸（上軸）９、原料融液５及び液体封止剤６の容器であるルツボ４、このルツボ４を受けるためのペデスタル１１、ルツボ４を加熱し主に結晶の外径を制御する役割を有する上部ヒータ１２及び主に固液界面形状を制御する役割を有する下部ヒータ１３を有する構造となっている。
【００４７】
図２は、本実施の形態においてＧａＡｓ単結晶を製造するに際し、結晶製造中の固相と液相の界面（固液界面）での固相の形状を融液の側に凸となっており、その凸度｛融液と液体封止剤の界面から融液側結晶先端部までの長さＴｌと結晶外径Ｔ２との比（Ｔｌ／Ｔ２）｝を０.１５〜０.３５と変化させた。
【００４８】
即ち、多結晶化の原因となる転位は、固液界面に垂直に伝播することによるもので、固液界面での固相の形状が融液側に凹面形状になると転位が集合して多結晶化してしまうので、本実施例のＬＥＣ法ではその結晶製造中の固相と液相との固液界面での固相の形状を液相の融液側に凸となる形状で行うものである。
【００４９】
本実施の形態においては、その固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖｌを３ｍｍ／ｈｒ〜８ｍｍ／ｈｒ及び成長後の結晶冷却速度Ｖ２を２〜６℃／ｈｒと種々変化させて製造した。
【００５０】
又、本実施形態においては、ＧａＡｓ単結晶の結晶成長時における、凸度｛融液と液体封止剤の界面から融液側結晶先端部までの長さＴｌと結晶外径Ｔ２との比（Ｔｌ／Ｔ２）｝を０.２５〜０.３５とし、固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖｌを４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒ及び成長した結晶の冷却速度Ｖ２を２〜５℃／ｈｒに制御する固液界面凸度、結晶成長速度、結晶冷却速度の３つのパラメータの組み合わせ、転位の発生をコントロールすることによって、残留応力の偏りをコントロールして、ウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜を、ウエハ平面内の中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５であり、かつ、ウエハ外周部の[０１１]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５とすることができると共に、（００１）面及び[０１０]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５であるようにすることができた。
【００５１】
図３は、本発明が目的とする残留応力パターンを持つ単結晶ウエハの平面模式図である。図３に示すように、本発明が目的とする残留応力パターンは、ウエハ平面内の中心部での｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５未満である領域１７と、｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５以上である領域１８とからなり、領域１８が単結晶ウエハを９０度の間隔で形成され、外周部の３分の１以内の領域で、中心から約４５°以内の角度で外周部に扇状に広がった形状に形成される。
【００５２】
本実施形態においては、多種類の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハを製造し、それらの半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハの残留応力及びＥＰＤの範囲が本発明で要求される平面形状を満たすか否か、及びそれらの半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハにアニール処理を施し、スリップ発生率について、調査した。なお、使用する半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハの厚みは６２５μｍとした。
【００５３】
表１は、結晶冷却速度が２℃／ｈｒ、表２は結晶冷却速度が４℃／ｈｒ、表３は結晶冷却速度が６℃／ｈｒのサンプルから得られたものであり、各表において、固液界面凸度０.１５〜０.３５、結晶成長速度３ｍｍ/ｈｒ〜８ｍｍ/ｈｒの両パラメータが交差する欄に本発明を満たすウエハの取得率を上段に、スリップ発生率を下段に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【００５７】
表１〜表３から分かるように、前述の残留応力を有する本発明に相当するサンプルが９０％以上取得できたものは、網掛けされた表示のもので、結晶冷却速度が２℃／ｈｒ及び結晶冷却速度が４℃／ｈｒのいずれにおいても固液界面凸度０.２５〜０.３５、結晶成長速度４ｍｍ/ｈｒ〜７ｍｍ/ｈｒによって得られ、そのもののスリップ発生率が１０％以下と低いを示している。
【００５８】
つまり、本実施形態における本発明においては、半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面内で、中心部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５である領域を有し、かつ、ウエハ外周部の[０ｌｌ]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域が存在し、スリップ発生率が１０％以下であり、更に、ウエハ面内の転位密度（ＥＰＤ）が１０００個／ｃｍ２を有し、３０,０００個／ｃｍ２以下である。
【００５９】
しかし、前述の本発明の結晶冷却速度２℃／ｈｒ及び４℃／ｈｒにおける結晶成長速度、固液界面凸度以外の範囲、又、結晶冷却速度が６℃／ｈｒでは、固液界面凸度０.１５〜０.３５、及び、結晶成長速度３ｍｍ/ｈｒ〜８ｍｍ/ｈｒのいずれにおいては、一部に、スリップ発生率が５％と低いものもあるが、本発明の前述の残留応力を満たすウエハの取得率が９０％に達せず、又、転位密度（ＥＰＤ）が１００,０００個／ｃｍ２を超えており、縦型デバイスへの適用が困難であった。
【００６０】
本実施形態のうちの本発明に係るＧａＡｓ単結晶ウェハの外周部のユニバーサル硬度は、４３００Ｎ／ｍｍ２（ＭＰａ）以上であり、その中心部及びウェハ外周部の[０１１]方向におけるユニバーサル硬度は、４０００Ｎ／ｍｍ２（ＭＰａ）であり、４回対称領域の硬度よりも高い。このユニバーサル硬度の測定には、超微小硬度測定器「フィッシャースコープＨ−１００」（フィッシャーインストルメント社製）を用いた。この超微小硬度測定器は、四角錘又は三角錘形状の圧子を被測定物に押し込むことで生じる被測定物にできる凹みの表面積をその押し込み深さから算出される。
【００６１】
本実施形態に示すように、ＬＥＣ法によりＧａＡｓ単結晶を製造するに際し、結晶製造中の固相と液相の界面（固液界面）の形状が融液の側に凸となっており、その凸度｛融液と液体封止剤の界面から融液側結晶先端部までの長さＴｌと結晶外径Ｔ２との比（Ｔｌ／Ｔ２）｝が０.２５以上であり、その固液界面の結晶円柱方向における結晶成長速度Ｖｌが４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒであり、成長後の結晶冷却速度Ｖ２が−５℃／ｈｒ以下とすることにより、半径方向歪をＳｒ、円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、半絶縁性ＧａＡｓウエハ平面内の残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、ウエハ平面内で、中心部でｌＳｒ−Ｓｔｌ＜１.０×１０−５であり、その外周部で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜≧１.０×１０−５である領域を有し、また、ウエハ外周部の[０ｌｌ]方向で｜Ｓｒ−Ｓｔ｜＜１.０×１０−５である領域が存在するＧａＡｓ単結晶ウエハが得られ、残留歪の高い（００１）面及び[０１０]方向と残留歪の小さい[０１１]方向の組合せにより、ＧａＡｓウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、ウエハ自身の反りや、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減し、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップ不良の発生が無い大口径のＧａＡｓ単結晶ウエハが実現できる。
【００６２】
又、本実施形態によって半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を製造した後には、これをスライス加工して得られる半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハを基板にしてＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法等によりエピタキシャル成長させ、その後、リソグラフィー及びエッチング等の技術を駆使して電子デバイスや受発光デバイス等が作製される。
【００６３】
そして、エピタキシャル成長させるＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜は、その下地のＧａＡｓ単結晶と組成が異なるため、格子定数や熱膨張係数が異なり、そのため、ＭＯＶＰＥ法によるエピタキシャル成長では、ウエハを約８００℃まで昇温させて、エピタキシャル成長させた後、降温する工程があり、ウエハ自体が高温に晒されることになるためにエピタキシャルさせたＧａＡｓ単結晶ウエハは高い歪みを有し、そのウエハ全体を凸形状に反らせたりするが、本発明の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶ウエハを基板に用いることによりその反りを少なくできる。
【００６４】
本実施形態によれば、ＧａＡｓ単結晶ウエハを用いたデバイス製造プロセス中の熱処理に対して、そのウエハ自身の反りや、熱処理時のウエハ面内温度均一性といった影響を低減し、転位の導入による残留応力の緩和を必要としないスリップ不良の発生が無い直径１５０ｍｍ以上の大口径のＧａＡｓ単結晶ウエハ及びその製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１…固液界面、２…種結晶、３…単結晶、４…ルツボ、５…原料、６…液体封止剤、７…雰囲気ガス、８…高圧容器、９…引上げ軸、１０…サセプタ、１１…ペデスタル、１２…上部ヒータ、１３…下部ヒータ、１４…熱電対、１５…ウエハアニール処理後のウエハ、１６…スリップ、１７…残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５未満である領域、１８…残留応力｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が１.０×１０−５以上の領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ単結晶ウエハの半径方向歪をＳｒ及び円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、前記ウエハ平面内の残留応力の絶対値｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、前記平面の中心部で１．０×１０−５未満であり、前記平面の外周部で１．０×１０−５以上である領域及び前記外周部の[０１１]方向で１．０×１０−５未満である領域を有することを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハ。
【請求項２】
請求項１において、前記ウエハ面内の転位密度が、３００００個／ｃｍ２以下であることを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記ウエハは、その外径が１００ｍｍ以上であることを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハ。
【請求項４】
サセプターに載置されたルツボを容器内に収納し、前記ルツボ内に加熱によって溶融したＧａＡｓ融液と液体封止剤とを有し、種結晶を前記ＧａＡｓ融液からなる液相に接触させながら前記種結晶とルツボとの相対的な移動によってＧａＡｓ固相からなるＧａＡｓ単結晶を製造させるＧａＡｓ単結晶ウエハの製造方法において、
前記単結晶製造中の前記固相と液相との固液界面における前記固相の形状を前記液相側に凸状とし、該凸状となっている凸度｛前記融液と液体封止剤の界面から前記凸の先端部までの長さＴ１と前記単結晶外径Ｔ２との比（Ｔ１／Ｔ２）｝を０．２５以上、前記固液界面の前記相対的な移動方向における結晶成長速度Ｖ１を４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒ、及び、前記固相の冷却速度Ｖ２を５℃／ｈｒ以下とすることを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハの製造方法。
【請求項１】
ＧａＡｓ単結晶ウエハの半径方向歪をＳｒ及び円周面の接線方向歪をＳｔとするとき、前記ウエハ平面内の残留応力の絶対値｜Ｓｒ−Ｓｔ｜が、前記平面の中心部で１．０×１０−５未満であり、前記平面の外周部で１．０×１０−５以上である領域及び前記外周部の[０１１]方向で１．０×１０−５未満である領域を有することを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハ。
【請求項２】
請求項１において、前記ウエハ面内の転位密度が、３００００個／ｃｍ２以下であることを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記ウエハは、その外径が１００ｍｍ以上であることを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハ。
【請求項４】
サセプターに載置されたルツボを容器内に収納し、前記ルツボ内に加熱によって溶融したＧａＡｓ融液と液体封止剤とを有し、種結晶を前記ＧａＡｓ融液からなる液相に接触させながら前記種結晶とルツボとの相対的な移動によってＧａＡｓ固相からなるＧａＡｓ単結晶を製造させるＧａＡｓ単結晶ウエハの製造方法において、
前記単結晶製造中の前記固相と液相との固液界面における前記固相の形状を前記液相側に凸状とし、該凸状となっている凸度｛前記融液と液体封止剤の界面から前記凸の先端部までの長さＴ１と前記単結晶外径Ｔ２との比（Ｔ１／Ｔ２）｝を０．２５以上、前記固液界面の前記相対的な移動方向における結晶成長速度Ｖ１を４ｍｍ／ｈｒ〜７ｍｍ／ｈｒ、及び、前記固相の冷却速度Ｖ２を５℃／ｈｒ以下とすることを特徴とするＧａＡｓ単結晶ウエハの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２３６７５０（Ｐ２０１２−２３６７５０Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０８２３７（Ｐ２０１１−１０８２３７）
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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