JPH04271114A - 化合物半導体の欠陥低減法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エピタキシャル成長に
よって半導体基板上に設けられた化合物半導体中に存在
する転位等の欠陥を低減する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】Ｓｉ等の半導体基板上に化合
物半導体をエピタキシャル成長させた半導体ウェハが、
ＯＥＩＣ（光電子集積回路）や太陽電池，発光ダイオー
ド，半導体レーザなどに多用されている。かかる半導体
ウェハは、半導体基板とその上に積層される化合物半導
体との間で格子定数や熱膨張係数が相違すると、エピタ
キシャル成長後の降温時に、格子不整合や熱歪によって
転位等の結晶欠陥が化合物半導体内に多数発生するとい
う問題があった。

【０００３】本発明は以上の事情を背景として為された
もので、その目的とするところは、半導体ウェハに存在
する転位等の内部欠陥を低減することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、半導体基板上にその半導体基板とは格
子定数または熱膨張係数が異なる化合物半導体をエピタ
キシャル成長させた半導体ウェハにレーザ光を照射し、
その半導体基板と化合物半導体との境界部分のみを局部
加熱することにより、その境界部分の温度がその化合物
半導体の温度よりも相対的に高く且つその化合物半導体
の温度が結晶の再配列が可能な温度となるようにし、そ
の後、前記レーザ光による局部加熱を中止してその半導
体ウェハを降温させることを特徴とする。

【０００５】

【作用および発明の効果】すなわち、エピタキシャル成
長させられた化合物半導体内の欠陥には、エピタキシャ
ル成長後の降温時に結晶内の転位が凍結する際に、格子
不整合や熱歪に起因して化合物半導体と半導体基板との
境界付近に生じる結晶欠陥が化合物半導体内に波及した
ものが多く含まれているため、これを防止するには、結
晶欠陥が発生する境界部分の温度を化合物半導体の温度
よりも高くした状態で温度降下させて化合物半導体の結
晶を先に固定化すれば良く、本発明は、半導体ウェハに
レーザ光を照射して上記境界部分のみを局部加熱するこ
とにより、その境界部分の温度を化合物半導体の温度よ
りも相対的に高くし、且つその化合物半導体の温度を結
晶の再配列が可能な温度となるようにし、その後、レー
ザ光による局部加熱を中止して半導体ウェハを降温させ
るようにしたのである。これにより、半導体ウェハの降
温時には、化合物半導体の結晶が境界部分よりも先に固
定化され、その後に格子不整合等によって境界部分に結
晶欠陥が生じても、その結晶欠陥が化合物半導体内に波
及することがなく、化合物半導体内の欠陥が低減される
。

【０００６】ここで、レーザ光により半導体基板と化合
物半導体との境界部分のみを局部加熱する方法は、半導
体基板および化合物半導体の何れか一方を透過して他方
に吸収される光エネルギーのレーザ光を用いれば良く、
具体的には両半導体のバンドギャップエネルギーの中間
の光エネルギーを有するレーザ光を、バンドギャップエ
ネルギーが大きい方から照射することとなる。なお、半
導体基板と化合物半導体との間に中間層を形成し、その
中間層において光エネルギーが吸収されるようにしても
差支えない。

【０００７】また、上記レーザ光の照射は、半導体ウェ
ハが室温などの低温に保持された状態において行なわれ
、境界部分の局部加熱の熱伝導によって化合物半導体が
結晶再配列可能な温度まで昇温させられるようにしても
良いが、エピタキシャル成長後の降温時など化合物半導
体を含む半導体ウェハの温度が未だ結晶再配列可能な温
度に維持されている状態でレーザ光を照射し、境界部分
の温度をその化合物半導体の温度よりも相対的に高くす
るようにしても差支えない。

【０００８】

【実施例】図１は、本発明方法を適用して製造された半
導体ウェハ１０の構成を説明する図で、板厚が３００〜
５００μｍ程度のＳｉ基板１２上には、中間層として膜
厚が０．５μｍ程度のＧａＡｓ層１４が設けられ、その
ＧａＡｓ層１４上には更に膜厚が２μｍ程度のＧａＰ層
１６が設けられている。ＧａＡｓ層１４およびＧａＰ層
１６は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａ
ｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてＳｉ基板１２上にエ
ピタキシャル成長させられたものであり、Ｓｉ基板１２
は半導体基板に相当し、ＧａＰ層１６は化合物半導体に
相当する。また、ＧａＡｓ層１４はそれ等の境界部分に
相当する。なお、これ等の半導体Ｓｉ，ＧａＡｓ，Ｇａ
Ｐの格子定数（Å），熱膨張係数（℃−１），およびバ
ンドギャップエネルギーＥｇ（ｅＶ）は表１の通りであ
り、ＳｉおよびＧａＰはその格子定数および熱膨張係数
が共に相違している。

【０００９】

【００１０】上記ＧａＡｓ層１４およびＧａＰ層１６の
エピタキシャル成長について、図２のタイムチャートを
参照しつつ具体的に説明すると、先ず、Ｓｉ基板１２を
ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットした後、１０００℃
程度の高温でベーキングを行って表面を浄化する。次に
、加熱温度を４５０℃程度まで降下させた後、２段階成
長法にてそのＳｉ基板１２上にＧａＡｓ層１４をエピタ
キシャル成長させる。２段階成長は、先ず４５０℃程度
の低温で反応炉内にＧａＡｓの原料ガスを導入して結晶
成長させ、その後７５０℃程度まで昇温して再びＧａＡ
ｓの原料ガスを導入して結晶成長させるものである。 高温時のＧａＡｓ原料ガスの導入時間は、形成すべきＧ
ａＡｓ層１４の膜厚に応じて定められ、これにより、Ｓ
ｉ基板１２上に０．５μｍ程度の膜厚のＧａＡｓ層１４
が形成される。続いて、加熱温度を８５０℃程度まで昇
温し、反応炉内にＧａＰの原料ガスを導入することによ
り、上記ＧａＡｓ層１４上に２μｍ程度のＧａＰ層１６
をエピタキシャル成長させる。この場合のＧａＰ原料ガ
スの導入時間も、形成すべきＧａＰ層１６の膜厚に応じ
て定められ、これにより、Ｓｉ基板１２上にＧａＡｓ層
１４およびＧａＰ層１６をエピタキシャル成長させた半
導体ウェハ１０が得られる。

【００１１】その後、かかる半導体ウェハ１０には、本
発明の欠陥低減法に従って欠陥低減処理が施される。す
なわち、半導体ウェハ１０を上記ＭＯＣＶＤ装置の反応
炉から取り出した後、ＧａＰ層１６側から半導体ウェハ
１０の全面にルビーレーザ光を連続して照射するととも
に、同時に半導体ウェハ１０の表面および裏面をファン
で空気冷却し、これを約２時間継続した後、そのファン
による空気冷却を更に継続したままルビーレーザ光の照
射を停止して、半導体ウェハ１０を室温まで降温させる
のである。ルビーレーザ光の光エネルギーは約１．７９
ｅＶであるため、それよりもバンドギャップエネルギー
Ｅｇが大きいＧａＰ層１６をルビーレーザ光は透過し、
バンドギャップエネルギーＥｇが１．７９ｅＶよりも小
さいＧａＡｓ層１４で吸収される。このため、そのＧａ
Ａｓ層１４およびＧａＡｓ／ＧａＰ界面近傍のみが局部
加熱されるとともに、その熱が所定の温度勾配をもって
ＧａＰ層１６に伝導する。この時のレーザ出力は、Ｇａ
Ｐ層１６の大部分が４００〜５００℃程度、すなわちＧ
ａＰの結晶の再配列が可能で転位等の結晶欠陥が移動で
きる温度となるように設定され、本実施例では５００ｍ
Ｗである。また、局部加熱されるＧａＡｓ層１４および
ＧａＡｓ／ＧａＰ界面近傍では、上記ＧａＰ層１６より
も充分に高い温度となり、２時間後にレーザ光の照射が
停止されることにより、ＧａＡｓ層１４およびＧａＰ層
１６は所定の温度差を有する状態で温度降下させられる
。

【００１２】このようにＧａＰ層１６が４００〜５００
℃程度まで昇温されると、そのＧａＰ層１６はアニール
されて転位等の内部欠陥が減少する。また、その後の降
温時には、ＧａＰ層１６がＧａＡｓ層１４よりも低温で
あるためそのＧａＰ層１６の結晶が先に凍結され、その
後にＧａＡｓ層１４やＧａＡｓ／ＧａＰ界面近傍の結晶
が凍結されることとなり、格子定数や熱膨張係数の相違
に起因してＧａＡｓ層１４やＧａＡｓ／ＧａＰ界面近傍
に転位等の結晶欠陥が発生しても、それがＧａＰ層１６
内へ波及することはなく、上記アニールによるＧａＰ層
１６内の結晶欠陥の低減状態が良好に維持される。

【００１３】因に、上記レーザ照射による欠陥低減処理
を行った本実施例の半導体ウェハ１０と、欠陥低減処理
を行わない従来の半導体ウェハとを用いて、フッ酸およ
び硝酸を混合したエッチング液によりＧａＰ層１６の表
面をエッチングし、欠陥によって生じるエッチピットの
密度を調べたところ、本実施例品では３×１０７　（個
／ｃｍ２　）であるのに対し、従来品は７×１０７　（
個／ｃｍ２　）であり、結晶欠陥の数が半分以下となっ
た。図３は本実施例品におけるエッチング表面の結晶構
造を示す光学顕微鏡写真で、図４は従来品におけるエッ
チング表面の結晶構造を示す光学顕微鏡写真であり、本
実施例品ではエッチピットの数が略半減していることが
判る。

【００１４】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することも
できる。

【００１５】例えば、前記実施例では半導体基板として
Ｓｉ基板１２が用いられているが、化合物半導体から成
る半導体基板を用いることも可能である。その半導体基
板上にエピタキシャル成長させられる化合物半導体につ
いても、ＧａＰ以外の　ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やそ
の他の化合物半導体を採用できる。使用するレーザ光の
種類やレーザ光の照射条件は半導体の種類に応じて適宜
定められ、例えばＳｉ基板上にＧａＡｓをエピタキシャ
ル成長させただけの半導体ウェハの場合には、光エネル
ギーが約１．１６ｅＶのＹＡＧレーザなどが好適に用い
られる。

【００１６】また、前記実施例ではレーザ光の照射によ
ってＧａＰ層１６を結晶再配列可能温度まで昇温してい
るが、例えばエピタキシャル成長後の降温過程でレーザ
光を照射することにより、ＧａＡｓ層１４をＧａＰ層１
６よりも高温度とし、その後レーザ光の照射を停止して
それ等が温度差を有する状態で降温させても良い。レー
ザ光の照射は必ずしも連続である必要はなく、所定の時
間間隔でパルス照射するようにしても良い。

【００１７】また、前記実施例ではＭＯＣＶＤ装置を用
いて有機金属化学気相成長法により化合物半導体をエピ
タキシャル成長させる場合について説明したが、分子線
エピタキシー法によるものなど、他のエピタキシャル成
長装置を用いることもできる。化合物半導体をエピタキ
シャル成長させる際の温度条件等についても適宜変更で
きる。

【００１８】また、前記実施例では中間層としてＧａＡ
ｓ層１４が設けられているが、かかるＧａＡｓ層１４を
省略してＳｉ基板１２上に直接ＧａＰ層１６をエピタキ
シャル成長させることもできるし、ＧａＡｓ層１４の代
わりにバンドギャップエネルギーＥｇが小さいＩｎＧａ
Ａｓ等を中間層として設けることもできる。

【００１９】また、前記実施例ではＧａＰ層１６が一層
設けられているだけであるが、ヘテロ構造などを構成す
る複数の化合物半導体層を備えた半導体ウェハにも本発
明は適用され得る。

【００２０】また、前記実施例では半導体ウェハ１０の
表面および裏面をファンにより空気冷却し、ＧａＡｓ層
１４とＧａＰ層１６との温度差が大きくなるようにして
いるが、ファンによる空気冷却は必ずしも必須なもので
はない。

【００２１】その他一々例示はしないが、本発明は当業
者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による欠陥低減処理が施された半導体ウ
ェハの一例を説明する構成図である。

【図２】図１の半導体ウェハのエピタキシャル層形成時
における温度履歴を示すタイムチャートである。

【図３】図１の半導体ウェハのエッチング表面の結晶構
造を示す光学顕微鏡写真である。

【図４】本発明による欠陥低減処理を施さなかった半導
体ウェハのエッチング表面の結晶構造を示す光学顕微鏡
写真である。

【符号の説明】

１０：半導体ウェハ １２：Ｓｉ基板（半導体基板） １４：ＧａＡｓ層（境界部分） １６：ＧａＰ層（化合物半導体）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体基板上に該半導体基板とは格子
   定数または熱膨張係数が異なる化合物半導体をエピタキ
   シャル成長させた半導体ウェハにレーザ光を照射し、該
   半導体基板と化合物半導体との境界部分のみを局部加熱
   することにより、該境界部分の温度が該化合物半導体の
   温度よりも相対的に高く且つ該化合物半導体の温度が結
   晶の再配列が可能な温度となるようにし、その後、前記
   レーザ光による局部加熱を中止して該半導体ウェハを降
   温させることを特徴とする化合物半導体の欠陥低減法。