JPH09283447A

JPH09283447A - シリコン基板上の高抵抗ガリウム砒素の製造方法

Info

Publication number: JPH09283447A
Application number: JP9433096A
Authority: JP
Inventors: Toshirou Futaki; 登史郎二木; Akiyoshi Tachikawa; 昭義立川; Yukihisa Fujita; 恭久藤田; Takashi Aigou; 崇藍郷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1996-04-16
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコン基板上に横型炉を用いたＭＯＣＶＤ
法でガリウム砒素を結晶成長させる方法において、高抵
抗のガリウム砒素を特別の装置を用いることなく製造す
る。【解決手段】基板上のガス流速を８０〜１２０ｃｍ／
ｓｅｃとすることで、基板のシリコンの側面および裏面
からのオートドープを防止して高抵抗のガリウム砒素を
得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、通信機器分野の携
帯端末や基地局の送受信設備に用いられる高速電子デバ
イス（ＨＥＭＴ、パワーＦＥＴ等）を製造するための基
板材料となるガリウム砒素エピタキシャルウェハを供給
するためのシリコン基板上の高抵抗ガリウム砒素の製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガリウム砒素はシリコンに比べて電子移
動度が大きいため、これ迄シリコンでは実現できなかっ
た高速デバイス（ＨＥＭＴ、ＭＥＳＦＥＴ等）用の材料
として用いられてきた。一方、ガリウム砒素基板は高価
で機械的に脆く熱伝導率が小さいため基板上の素子の放
熱が悪いなどの問題を抱えている。更に大口径化の進ん
でいるシリコン基板に比べると、これまで大面積で対性
能／コスト比の高い基板を安定に入手することは困難で
あった。そこで大面積で機械的強度に優れたシリコン基
板上に良質なガリウム砒素薄膜を結晶成長できれば従来
より低コストで割れにくく熱伝導率の良好な高速デバイ
ス用ヘテロエピタキシャルウェハ（以下、エピタキシャ
ルウェハをエピウェハと略記する）を供給することが可
能となる。

【０００３】シリコン基板上に形成したガリウム砒素
（以下、ＧａＡｓ／Ｓｉ）の成長方法は、従来、有機金
属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）による２段階成長法が用
いられており、容易に鏡面ウェハを作成することができ
る。この有機金属気相成長法によるＧａＡｓ／Ｓｉの作
成では、デバイス用エピウェハを作成する際に不可欠と
なるドーピング制御、ＡｌＧａＡｓ膜の組成制御に関し
てもホモエピタキシャル成長の場合と同様に可能となっ
ている。

【０００４】しかし、これ迄、ＧａＡｓ／Ｓｉではノン
ドープＧａＡｓ膜において高抵抗層を得ることが困難で
あった。この原因としてＧａＡｓ／Ｓｉでは成長中にシ
リコン基板からオートドープが発生するためであること
が分かっている。このオートドープは、シリコン基板の
表面にＧａＡｓ層を成長中、基板裏面からシリコン原子
が気化して基板の表側にわきだし、ＧａＡｓ成長表面に
付着・混入し膜中でドーパントとして働くため膜中電子
濃度が上昇するというものであり、基板としてシリコン
を用いる以上、回避できない現象である。

【０００５】そこで従来、オートドープの防止策とし
て、ＧａＡｓ／Ｓｉ成長中、基板の裏面においてシリコ
ンの気化を防ぐため、シリコンウェハの裏面をＧａＡｓ
のドーパントとならない安定な物質で被覆する方法が用
いられていた。これにより成長中ガリウム砒素層への環
境からシリコンの取込みが防止され、ガリウム砒素層の
電子濃度が１０¹⁴（＝１Ｅ１４、以下本明細書および図
面において同様の表現を用いることがある）ｃｍ^-3台と
いう高抵抗層を作成することが可能になった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、Ｇａ
Ａｓ／Ｓｉウェハを用いて電子デバイスを作成するには
高抵抗層を形成することが不可欠であったため、オート
ドープを抑制するためにシリコン基板の裏面コーティン
グ処理が欠かせなかった。裏面コーティング用の被膜層
の材料はシリコンウェハに対して、化学的、電気的に安
定な絶縁材料が望まれる。このような特性をもつ代表的
な物質として、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄が広く知られてい
る。しかし、これらの材料をシリコンウェハの裏面コー
ティングに用いる際には、各々の材料に対して以下に述
べるような問題が発生してしまう。

【０００７】Ｓｉ₃Ｎ₄を裏面コーティングしたシリコ
ンウェハを基板として用いる場合、基板自体が非常に脆
くなるため、デバイス作成工程中のハンドリングにより
非常に割れやすくなるという欠点がある。このため裏面
コーティング材料としてＳｉ₃Ｎ₄を用いることは、デ
バイス用エピウェハへの応用の点で難しい。

【０００８】一方、ＳｉＯ₂はシリコンウェハの絶縁被
覆用として最も広く用いられてきた材料であり、Ｓｉ₃
Ｎ₄コート基板に比較して割れ易くなるということはな
く、オートドープ防止用被覆材料として実用的である。
しかし、一般的な手法である熱酸化によりシリコンウェ
ハに酸化膜を形成する際には厳しいプロセス管理が必要
となる。これは熱酸化プロセス時に、酸化誘起欠陥（Ｏ
ＳＦ）がウェハ表面に発生しやすいからである。シリコ
ンウェハ表面にこのような欠陥が存在すると、その上に
成長する結晶層の新たな欠陥発生の原因となるためエピ
タキシャル層の結晶性が悪化する。このためシリコン基
板のＯＳＦの発生は極力、避けなければならない。一般
にＯＳＦはシリコンウェハの種類（ｐ、ｎ型）、品質
（Ｃｚ、Ｆｚ）に強く依存し、かつ熱酸化炉の汚染に強
く影響を受ける。このためＯＳＦの発生を抑制するに
は、熱酸化治具やウェハ洗浄、炉の汚染対策、使用する
ガスの純度、等の厳しい管理が必要になる。このためＧ
ａＡｓ／Ｓｉ用の基板としてＯＳＦの無いＳｉＯ₂裏面
コートシリコン基板を安定に入手するには相応のコスト
が追加されることになる。

【０００９】以上の理由から、ＧａＡｓ／Ｓｉに用いる
裏面コート基板としては、ＳｉＯ₂裏面コートウェハが
機能面で使用可能である。しかしながら、ＧａＡｓ／Ｓ
ｉをデバイス用エピウェハとして使用して行く上で、Ｇ
ａＡｓ／Ｓｉの特徴の１つである性能／コスト比の高い
大面積基板を作成できる利点を享受するには、裏面コー
トの無い通常のシリコンウェハを用いて、ＧａＡｓ／Ｓ
ｉ成長中にオートドープの生じない成長技術を開発する
必要がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、ガリウム砒素をシリコン基板上に成
長する際、シリコン基板上空の雰囲気ガスの流速を高め
ることによりシリコン基板の裏面及び側面から蒸発した
シリコン原子を速やかにシリコン基板周辺より掃き出
し、シリコン基板上のガリウム砒素成長表面にシリコン
原子が再付着することを妨げることによりＧａＡｓ中へ
のシリコン原子の混入量を低減し、裏面被覆の無いシリ
コン基板上に高抵抗ＧａＡｓ層を結晶成長することを可
能にした点である。すなわち、本発明は、シリコン基板
上に横型炉を用いたＭＯＣＶＤ法でガリウム砒素を結晶
成長させる方法において、基板上のガス流速を８０〜１
２０ｃｍ／ｓｅｃとすることを特徴とするシリコン基板
上のガリウム砒素の製造方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の形態について述べる前
に、従来の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）による
ＧａＡｓ成長におけるガス流速の設定について説明す
る。

【００１２】従来、ＭＯＣＶＤ法によりガリウム砒素を
成長するときのガス流速は原料ガスの消費効率を損なわ
ないように設定される。つまり、ガス流速が速すぎると
原料が基板表面で十分に消費されないうちに通過するこ
とになるため流速は大きすぎないように設定される。

【００１３】一方、デバイス用エピウェハは一般にドー
ピング層、ノンドープ層、ＡｌＧａＡｓ層等の性質の異
なる数種類の層を積層した構造を有し、これら異なる層
の間の界面急峻性がデバイス特性上重要となってくる。
このため結晶成長時、下地と性質の異なる層を積み重ね
て行く際には原料ガスの切り換え速度が速くなければな
らないため、ガス流速をある程度の速度に設定する必要
がある。例えば図１に示すように通常のＭＯＣＶＤ装置
においてガスの熱分解領域はウェハ及びその周囲を加熱
できる構造体の空間である。性質の異なる層を積層する
際、原料ガス切り替時には少なくともこの領域では速や
かにガス種の交換が行われなければならない。

【００１４】例えばウェハサイズが３ｉｎｃｈの場合の
ガス流速の設定について説明する。従来、横型ＭＯＣＶ
Ｄ装置ではＧａＡｓ成長時のガス流速Ｖｆｃは３０〜４
０ｃｍ／ｓｅｃと設定されていた。今、Ｖｆｃ＝４０ｃ
ｍ／ｓｅｃとし、３ｉｎｃｈウェハ径；Ｗ＝７．５ｃｍ
とした場合、供給したガスが３ｉｎｃｈウェハの上空を
通過する時間Ｔｐは、Ｔｐ＝Ｗ／Ｖｆｃ・・・（１）となる。

【００１５】ＧａＡｓ層の成長速度Ｒ_GaAsを、通常用い
る値；５μｍ／ｈｒとすると、ガスのウェハ上空通過時
間Ｔｐ内に成長されるＧａＡｓ層の膜厚Ｄは、Ｄ＝Ｔｐ・Ｒ_GaAs＝２．６Å ・・・（２）となる。

【００１６】ＧａＡｓ成長層における厚みの基準となる
成長単位として、（Ｇａ一原子層＋Ａｓ一原子層）とい
う一対の層厚を考えた場合、その厚さＤｕは、ＧａＡｓ
の格子定数をａ（＝５．６５Å）とすると（１００）面
の場合、Ｄｕ＝ａ／２＝２．８３Å ・・・（３）となる。

【００１７】以上のことから、ガス流速４０ｃｍ／ｓｅ
ｃでは、下地層と異なる種類の層を積層する場合に原料
ガスを切り替る際、ウェハ上空に存在していた以前のガ
スがウェハの上流側から下流側へ移動している時間内に
成長する膜厚ＤはＧａＡｓの成長単位となる膜厚Ｄｕよ
りも小さいことになる。つまり、ガス切り替に伴うウェ
ハ面内での異種層の界面急峻性はＤｕと同程度かそれ以
下となるように設定されるわけである。上述の様に３ｉ
ｎｃｈ基板を用いる場合、ガス流速はたかだか４０ｃｍ
／ｓｅｃと設定されたが、それ以上ガス流速を上げるこ
とは原料消費効率の点から行われない。つまりガス流速
が早すぎると供給した原料ガスが基板表面で十分に消費
されないうちに掃き出されてしまうからであり、必要以
上に流速を上げても原料ガスが無駄になるだけだからで
ある。

【００１８】以上のように、通常のＭＯＣＶＤ装置にお
いてガス流速は、ウェハサイズを考慮して所望の界面急
峻性が得られ、かつ原料消費効率が落ちないように設定
される。

【００１９】例えば本実験に用いたＭＯＣＶＤ装置にお
いては、３ｉｎｃｈＧａＡｓ基板を用いる場合、ガス流
速は上記のように成長速度を考慮して３０〜４０ｃｍ／
ｓｅｃの範囲において設定された。このように設定され
たガス流速にて、ＧａＡｓ基板を用いて各種光デバイス
用積層構造を作成しデバイス特性を評価したところ、積
層界面の急峻性は問題無いことを確認しており、ＧａＡ
ｓ基板を用いた場合のガス流速下限値は界面急峻性によ
り決められることが裏付けられた。

【００２０】一方、ＧａＡｓ／Ｓｉの場合、成長層の基
本的な作成条件であるガス流速はＧａＡｓ基板上へのＧ
ａＡｓ成長において決められた値が流用されてきた。Ｇ
ａＡｓ／Ｓｉの成長方法は２段階成長法が用いられ、成
長時の温度プロファイルとしては図２に示すように初期
プリべーク及びそれに引き続く低温成長層（４００℃、
約２００Å）、成長層（約７００℃）というプロセスが
とられ、ホモエピタキシャル成長（ＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ）とは異なる成長手順となっている。ＧａＡｓ／Ｓｉ
ではこのように特有の成長手法を用いるもののＧａＡｓ
層の成長条件については、基本的なパラメータであるガ
ス流速はホモエピタキシャル成長にて設定された値がそ
のまま用いられる場合が一般的となっており、今まで詳
細な検討が行われたことがなかった。

【００２１】図３にホモエピタキシャル（ＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ）成長条件にて設定したガス流速値を用いて作成
したノンドープＧａＡｓ／Ｓｉのキャリア密度ウェハ面
内分布を示す。シリコン基板は比抵抗；２〜６ｋΩｃ
ｍ、（１００）面３度ｏｆｆ、３ｉｎｃｈウェハを用
い、成長ガス圧は７６Ｔｏｒｒ、成長温度７００℃、ア
ルシン流量：トリメチルガリウム流量＝４０：１、ガス
流速は３１．４ｃｍ／ｓｅｃとした。このガス流速はＧ
ａＡｓ基板を用いた場合ノンドープ層の電子濃度が１０
¹⁴ｃｍ^-3台以下と高抵抗を示す条件である。

【００２２】図より電子濃度はウェハ端で高く中心部で
最小となる凹型の分布であり、中心部でも８Ｅ１６ｃｍ
^-3を示し、これまで知られているＧａＡｓ／Ｓｉ特有の
典型的なオートドープのプロファイルを示している。こ
れは、まず、シリコン基板上にＧａＡｓを成長中、キャ
リアガスとしてガス流の大部分を占める水素がシリコン
基板の裏面に回り込み熱分解し原子状の活性水素が発生
する。この活性水素がシリコンウェハをエッチングする
ことによりシリコン水素化物が発生する。この様にして
気化したシリコン原子は基板の裏面から表面に回り込み
ＧａＡｓ成長表面層に付着、混入しＧａＡｓ結晶中でド
ーパントとして働くため、ＧａＡｓ層のキャリア密度バ
ックグランドが上昇することになる。

【００２３】この過程の中で活性水素がシリコンをはぎ
取るエッチングプロセスは化学反応であるため、発生す
る気化シリコン量は基板温度に依存する。このため成長
温度を下げることによりキャリア密度を低減することは
できる。実際には成長温度を６００℃近くに下げれば図
３に示したオートドープが生じた成長条件でも電子濃度
を１０¹⁴ｃｍ^-3台まで低減することは可能である。しか
しながら、ＧａＡｓ／Ｓｉでは成長温度が６５０℃以下
では、ＧａＡｓ／Ｓｉ特有の数μｍサイズの貝殻状の欠
陥が多数発生してしまい表面モフォロジーが悪化する。
このためＧａＡｓ／Ｓｉでは成長温度を６５０℃以下に
することはできない。

【００２４】ここで再びオートドープについて詳しく考
察する。図９にＧａＡｓ／Ｓｉ成長中の気化シリコンの
回り込む様子を示す。基板の裏面で生成されたシリコン
水素化物は基板端より表面側にわきだし、上空の気流に
巻き込まれてわきだした場所から下流側へ吹き流されて
行くことになる。問題は、わきだした瞬間に全ての気化
シリコンが上空の気流に巻き込まれるわけではないこと
である。一般に、気流と接する壁の表面ではガスの流速
は０である。このため、わきだしたシリコンのうち、す
ぐに上空のガス流に巻き込まれなかった一部のシリコン
はわきだした点近傍でゆっくりと移動しながら徐々に上
空の気流に巻き込まれて基板表面から離れて行くか、或
るいはシリコン基板上のＧａＡｓ成長表面層に付着、混
入して行くことになる。問題は、如何にこのＧａＡｓ成
長表面層に付着するシリコンを減らすかということであ
る。

【００２５】基板端を通ってわきだしてくるシリコンの
総量は、上述したようにウェハ裏面での水素エッチング
による化学反応であるため基板温度により決まる。この
ためＧａＡｓ成長中基板温度が一定であれば、総量は一
定となる。それ故、ＧａＡｓ成長表面に付着するシリコ
ン量を減らすにはウェハ端からわきだした時点で如何に
素早く多くのシリコンを上空の気流に巻き込ませて下流
側へ一気に通過させるかという点にかかっている。

【００２６】以上の考察からシリコン基板上空のガス流
速を上げればウェハ端からわきだした時点でシリコンを
できるだけ多く気流中に巻き込ませることができ、ウェ
ハ表面近傍に残留するシリコン量を減少させＧａＡｓ成
長表面へ付着するシリコン量を低減できるのではないか
と考えた。しかしながら前述したように通常ＭＯＣＶＤ
法においては、ガス流速は成長させる基板の寸法を考慮
し、かつガス消費効率の点から必要以上に流速を上げな
いように設定される。このためガス流速を上げることに
よりオートドープを低減できたとしても、流速が速すぎ
ることによりガス消費効率低下による成長速度の極端な
減少や膜厚の不均一性が増加したのでは実用化できな
い。そこでガス流速を増加させた時、ＧａＡｓ成長層の
キャリア密度をどのくらい低減できるかという点、及び
その時の成長速度の変化について次の実験を行った。

【００２７】実験図４に、ＧａＡｓ層を成長する際シリコン基板上空のガ
ス流速を６０〜１００ｃｍ／ｓｅｃの範囲で変化させた
ときのＧａＡｓ／Ｓｉウェハ面内での電子濃度分布を示
す。実験に使用したシリコンウェハは３ｉｎｃｈ、高抵
抗（Ｆｚ、２〜６ｋΩｃｍ）を用いた。成長時の基板温
度は６８０℃、トリメチルガリウム・モル流量＝１．１
７Ｅ−４ｍｏｌ／ｍｉｎ、ガス圧＝４０Ｔｏｒｒ、成長
膜厚３μｍとした。

【００２８】オートドープが生じている低ガス流速で成
長した場合の図３と比較すると、ガス流速がほぼ２倍の
図４（ａ）に示した６０ｃｍ／ｓｅｃで成長した試料で
は、ウェハ中心部から約２０ｍｍ内においてキャリア密
度が１Ｅ１４ｃｍ^-3以下となっており、中心部のみを比
べるとキャリア密度は約３桁減少したことになり、ガス
流速を増加させる手法は非常に有効であることが分か
る。更に、図４においてガス流速の増大と共に１Ｅ１４
ｃｍ^-3以下の領域がウェハ中心部から端へと急激に拡大
していき、図４（ｅ）に示したガス流速が１００ｃｍ／
ｓｅｃの時、ウェハ端より約１０ｍｍの周辺部まで広が
っていることが分かる。

【００２９】一般に電子デバイス用エピウェハのノンド
ープ層としては、キャリア密度が１０¹⁴ｃｍ^-3台以下で
あることが求められる。またウェハ上にデバイスを作成
する場合、ウェハ端から約５ｍｍは通常使用されない。
これらのデバイス・サイドからの条件を勘案すると、図
４よりガス流速を８０ｃｍ／ｓｅｃ以上に設定すればウ
ェハ端より５ｍｍ内において１０¹⁴ｃｍ^-3台以下を実現
でき実用的な電子デバイス用エピウェハの製造条件とな
ることが分かる。

【００３０】又、図４よりウェハ端付近のキャリア密度
はウェハの中心に向って直線的に減少しており、その傾
きはガス流速の増加と共に急になっていることが分か
る。図９において説明したように、上流側のウェハ端よ
り基板表面側にわきだしたシリコンはわきだした時点で
大部分は上空のガス流に巻き込まれると考えられるが、
一部分は基板端部に残留し下流側へ移動しながら徐々に
上空のガス流に巻き込まれて基板表面から離れつつ、そ
の間に更に一部は基板最表面層に付着、混入して行く。
そしてガス流速が増大すると、わきだしたシリコンを巻
き込み基板表面から離脱させる効果が強くなると考えら
れる。図４の結果は、この効果を裏付けるものであり上
述したように８０ｃｍ／ｓｅｃ以上であれば実用可能な
キャリア密度バックグランドの仕様を満たすエピウェハ
が得られ、ガス流速の高速化が非常に有効であることが
分かる。

【００３１】次にガス流速を増大させた時の成長速度の
変化を図５及び表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】図５におけるガス流速はガス圧４０Ｔｏｒ
ｒ時における総ガス流量を変化させることにより、６０
〜１００ｃｍ／ｓｅｃの範囲で変化させている。なお、
表１の最下段には、比較のためにガス圧７６Ｔｏｒｒ時
の従来のガス流速＝３１．４ｃｍ／ｓｅｃでの値を載せ
た。従来のガス流速条件（３１．４ｃｍ／ｓｅｃ、ガス
圧＝７６Ｔｏｒｒ）において、トリメチルガリウム（Ｔ
ＭＧ）流量＝１．１７Ｅ−４ｍｏｌ／ｍｉｎの時、シリ
コン基板上のＧａＡｓ成長速度は５．０μｍ／ｈｒであ
った。一方、図５よりガス流速６０ｃｍ／ｓｅｃ（ガス
圧＝４０Ｔｏｒｒ）に増大させた時には同一のＴＭＧモ
ル流量を供給した場合、ＧａＡｓ成長速度は５．５μｍ
／ｈｒと１割増加した。これはガス圧及びガス流速の変
化により基板上に形成される境界層が変化したために生
じたためであり、原料が有効に利用されているため好ま
しい結果である。

【００３４】しかし図５に示すように、同一ガス圧（４
０Ｔｏｒｒ）下においてガス流速が増加した場合、Ｇａ
Ａｓ成長速度はガス流速に比例して減少することが分か
る。この成長速度の減少に関しては上述したようにオー
トドープ抑制のための実用的なガス流速である８０ｃｍ
／ｓｅｃにおいても４．７７μｍ／ｈｒと従来条件での
成長速度（５μｍ／ｈｒ）に比べて約５％の減少に過ぎ
なかった。又、図中直線外挿から成長速度が３０％減少
するガス流速値は１１９．５ｃｍ／ｓｅｃと求められ
る。成長速度の減少分が３割を越えると原料消費効率の
観点からエピウェハ製造コスト面で採算上問題となる。
以上より、オートドープを抑制し、利用可能なエピウェ
ハを作成するためのガス流速の下限値としては８０ｃｍ
／ｓｅｃ以上であればよく、ガス流速の上限値としては
原料消費効率の点から１２０ｃｍ／ｓｅｃ以下となる。

【００３５】図６、図７に、従来のガス流速条件及び、
本実験での高ガス流速条件下で作成したＧａＡｓ／Ｓｉ
膜の３ｉｎｃｈ膜厚均一性の結果を示す。ここで云う均
一性はウェハ端より５ｍｍ内における膜厚の最大と最小
の差の１／２を膜厚平均値で割った値である。図６よ
り、従来のガス流速３１．４ｃｍ／ｓｅｃ時の膜厚の均
一性は±１．５２％であり、ガス流速を増加させた６０
ｃｍ／ｓｅｃの時の膜厚均一性と同一の値を示した。
又、図７より同一のガス圧（４０Ｔｏｒｒ）下ではガス
流速の大きい方が膜厚均一性が少し改善される傾向を示
すことが分かる。

【００３６】以上の結果より、ウェハの大部分の領域で
実用可能なレベルまでオートドープを抑制するためにガ
ス流速を増大させても（＞８０ｃｍ／ｓｅｃ）、この程
度の範囲であるなら成長速度が極端に減少するというこ
とはなく、膜厚均一性はむしろ改善される傾向にあるこ
とが分かった。

【００３７】以上の実験結果はウェハサイズが３ｉｎｃ
ｈで、ＧａＡｓ成長速度＝５μｍ／ｈｒの場合について
オートドープを抑制するためのガス流速の効果に関する
結果であった。

【００３８】そこで次に異なるウェハサイズ及び、Ｇａ
Ａｓ成長速度を用いた場合に関して述べることにする。

【００３９】図４はガス流速の増加と共に基板端でのキ
ャリア密度の減少する傾きが急になることを示してお
り、この結果は図９において説明した ”基板端での残
留気化シリコンはガス流速の増大と共に基板表面より離
脱しやすくなる”という内容を裏付けている。この結果
はオートドープを抑制するには基板端の気化シリコンの
除去が重要であることを意味し基板端での気化シリコン
の残留濃度さえ下げれば基板中央部にはなんら影響しな
いことを示している。つまり一旦基板端より離脱した気
化シリコンは再度基板中央部に再付着するというよりむ
しろ下流側のシリコン端以降へ一気に吹き流されてしま
うことになる。このことから、オートドープを抑制する
ためのガス流速として前述の実験で求められた８０ｃｍ
／ｓｅｃ以上という値はウェハサイズに依存しない。

【００４０】一方、ウェハサイズによりガス流速が制限
される、もう１つの要因として考慮しなければならない
ものに、前述したガス切り替時の界面急峻性の確保があ
る。そこで、ガス切り替時の界面急峻性を確保する際の
ガス流速とウェハサイズとの関係を次に求める。

【００４１】今、ウェハサイズをＷ、ガス流速をＶｆｃ
とするとウェハ上空をガス流が通過する時間Ｔｐは前出
（１）式で与えられる。一方、成長速度がＲ_GaAsの時、
（Ｇａ一原子層＋Ａｓ一原子層）分の膜厚Ｄｕが成長す
る時間をＴｇとすると、Ｔｇ＝ａ／２Ｒ_GaAs ・・・（４）［ａ；ＧａＡｓ格子定数（＝５．６５Å）］となる。

【００４２】ガス切り替時の界面急峻性がウェハ面内に
おいてＤｕ以下となるためには、厚さＤｕ分成長する時
間よりガス流がウェハ上空を通過する時間が短くなけれ
ばならないから（Ｔｐ＜Ｔｇ）、Ｗ／Ｖｆｃ＜ａ／２Ｒ_GaAs ・・・（５） ∴ Ｖｆｃ＞２Ｒ_GaAsＷ／ａ・・・（６）となる。

【００４３】つまり成長速度Ｒ_GaAsの時ウェハ径Ｗの基
板を用いた場合、原料ガス切り替時ウェハ面内にてａ／
２以下の界面急峻性を確保するには、ガス流速Ｖｆｃは
２Ｒ_GaAsＷ／ａ以上に設定する必要がある。例えばＧａ
Ａｓ成長速度Ｒ_GaAs＝５μｍ／ｈｒとした時、各ウェハ
径に対するガス流速Ｖｆｃを表２に示す。

【００４４】

【表２】

【００４５】この表よりウェハサイズが６ｉｎｃｈ迄は
界面急峻性から要求されるガス流速の方が小さいため、
オートドープ抑制から要求されるガス流速下限値（＝８
０ｃｍ／ｓｅｃ）が優先される。

【００４６】この様子を成長速度Ｒ_GaAsをパラメータに
して図８に示す。表２で説明したように、成長速度とし
て５μｍ／ｈｒを設定した場合ウェハ径６．４ｉｎｃｈ
迄はガス流速設定値として８０ｃｍ／ｓｅｃ以上となる
が、６．４ｉｎｃｈより大きなウェハ径の場合は界面急
峻性から要求されるガス流速（＝２ＷＲ_GaAs／ａ）以上
に設定されることになり、結局、Ｒ_GaAs＝５μｍ／ｈｒ
の場合、ウェハサイズに対するガス流速設定領域は図中
の斜線部分となる。

【００４７】一方、成長速度が４μｍ／ｈｒの場合、成
長速度が遅い分だけ膜厚Ｄｕの界面急峻性を得るために
必要なガス流速も小さくてすむためオートドープ抑制の
ガス流速（８０ｃｍ／ｓｅｃ）は、８ｉｎｃｈのウェハ
サイズまで優先する。又成長速度が６μｍ／ｈｒの場合
は逆の理由により５．３ｉｎｃｈ以上のウェハサイズで
界面急峻性を確保するガス流速が必要となるため８０ｃ
ｍ／ｓｅｃより大きなガス流速としなければならない。

【００４８】このように、用いるウェハサイズと成長速
度の設定値によりガス流速の下限値として、オートドー
プ抑制のための値（８０ｃｍ／ｓｅｃ）か、或るいは界
面急峻性確保のための値（＝２ＷＲ_GaAs／ａ）のいずれ
かが決まることになる。

【００４９】以上により成長速度Ｒｄ（Å／ｓ）にてＧ
ａＡｓ／Ｓｉを作成する場合、成長条件としてガス流速
を設定する場合、オートドープ抑制の観点よりガス流速
の下限値として８０ｃｍ／ｓｅｃ以上と決められる。た
だしこのガス流速値は用いるウェハサイズが（５）式よ
り求まる８１．４／Ｒ_GaAs（ｃｍ）以下の基板に限りこ
の条件下では界面急峻性に必要なガス流速値も満足され
ることになる。

【００５０】一方、ウェハサイズが８１．４／Ｒ
_GaAs（ｃｍ）より大きい基板Ｗ（ｃｍ）を用いる場合、
ガス流速下限値は（６）式より求まる０．９８３ＷＲ
_GaAs（ｃｍ／ｓｅｃ）以上と決められる。この場合は界
面急峻性を確保するガス流速が優先され、オートドープ
抑制に必要なガス流速値も同時に満足されることにな
る。そして、この両方の場合に対してガス流速の上限値
は原料消費効率の観点から１２０ｃｍ／ｓｅｃ以下と設
定されることになる。

【００５１】これまで述べてきたように、オートドープ
抑制についてガス流速の効果を詳しく考察し、ガス流速
を増加させた場合の一連の実験結果から、基板端での残
留気化シリコンの掃き出しが重要であることを検証する
ことにより、オートドープ抑制のためにガス流速を上げ
る方法及び、その流速値の設定手法が実用上有効である
ことを確認し本発明の完成に至った。

【００５２】そして、上記のガス流速の高速化によりシ
リコン基板からの気化シリコンのＧａＡｓ成長表面への
付着、混入が防止され、その結果、基板端の近傍を除い
たウェハのほぼ全域においてＧａＡｓ成長層をデバイス
用エピウェハに要求されるレベルまで高抵抗とすること
ができた。

【００５３】

【実施例】次に、具体的な製造方法について説明する。

【００５４】まず、３ｉｎｃｈシリコン基板をＨ₂ＳＯ
₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：２の水溶液中に１０分
間浸し洗浄した。次にそのシリコン基板を１０分間純水
でリンスしその後５％ＨＦ水溶液に１分間浸し再び純水
にて３分間リンスした。

【００５５】次に上記洗浄処理の行われたシリコン基板
をＭＯＣＶＤ装置の反応室に載置した。反応室中に供給
する総水素流量を１３ｓｌｍ、ガス圧を４０Ｔｏｒｒに
減圧し、シリコン基板上空のガス流速を８０ｃｍ／ｓｅ
ｃとなるように調整した。その後、シリコン基板を１０
ｒｐｍで回転させながら、８７０℃に加熱しアルシンガ
ス（５０ｓｃｃｍ）を流すことにより１０分間、熱処理
した。

【００５６】次にシリコン基板の温度を４００℃としア
ルシンガス（ＡｓＨ₃）とトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）の流量比を４０：１として４分間反応ガスを供給
し、シリコン基板上に１５０Åのガリウム砒素層を形成
した。

【００５７】次にシリコン基板の温度を７３０℃としア
ルシンガス（ＡｓＨ₃）とトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）のモル流量比を４０：１とし４０分間反応ガスを供
給した。この結果、３μｍの厚さのノンドープガリウム
砒素膜がシリコン基板上に形成された。

【００５８】この様にして、シリコン基板上にエピタキ
シャル成長したガリウム砒素層についてＣ−Ｖ法による
膜厚深さ方向に関する電子濃度分布特性を測定し、Ｇａ
Ａｓ成長層表面付近の平均電子濃度を求めた。そして３
ｉｎｃｈ基板の径方向について、電子濃度の面内分布を
求めた。

【００５９】その結果を図４（ｃ）に示す。基板端より
３ｍｍの点では１Ｅ１６ｃｍ^-3辺りの電子濃度を示すが
基板内部にいくに従って急激に減少し基板端より５〜６
ｍｍの点では１Ｅ１５ｃｍ^-3となっている。そして、基
板端より８ｍｍ以内では５Ｅ１４ｃｍ^-3以下となってお
り、更にその内側では１Ｅ１４ｃｍ^-3以下となってい
る。このことから、端から５〜６ｍｍの領域を除いたウ
ェハの大部分の領域で１Ｅ１４ｃｍ^-3台の電子濃度を実
現しており、デバイス用エピウェハに要求されるノンド
ープＧａＡｓ層の条件が満たされることになる。また更
にガス流速を９０ｃｍ／ｓｅｃ、１００ｃｍ／ｓｅｃへ
と増加させた時の結果を図４（ｄ）および（ｅ）に示
す。これらの結果より、ガス流速の増加と共に基板端か
ら電子濃度が減少する傾きが更に急になり、かつウェハ
中心部の１Ｅ１４ｃｍ^-3以下の電子濃度領域が拡大して
おり、ガス流速の高速化によるオートドープ抑制効果が
更に一層効いていることが分かる。

【００６０】また、これら試料のＧａＡｓ層の膜厚均一
性を図７（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す。ここで均一性
はウェハ端より５ｍｍ以内の領域の膜厚の最大値と最小
値の差の１／２を、ウェハ面内の平均膜厚で割った値で
基板上での膜厚のばらつき具合を表す。図よりガス流速
が８０ｃｍ／ｓｅｃ以上では膜厚均一性は約１％前後の
値をとっており、デバイス用エピウェハとして実用レベ
ルとなっている。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、シ
リコン基板上にガリウム砒素を結晶成長する際、シリコ
ン基板上空のガス流速を高めることにより、結晶成長中
にシリコン基板の裏面及び側面から気化したシリコン原
子が速やかにシリコン基板周辺より掃き出されることに
より、ガリウム砒素層への環境からシリコンの取り込み
が大幅に低減される。従ってシリコン基板上に成長した
ガリウム砒素層のキャリア濃度をガリウム砒素のバルク
と同程度の１０¹⁴ｃｍ^-3台、或るいはそれ以下に抑える
ことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＭＯＣＶＤ装置の概略図である。

【図２】ＧａＡｓ／Ｓｉ成長温度プロファイルを示す
図面である。

【図３】ＧａＡｓ／Ｓｉにおけるオートドープを示す
図面である。

【図４】ＧａＡｓ／Ｓｉのキャリア密度面内分布を示
す図面である。

【図５】成長速度とガス流速の関係を示す図面であ
る。

【図６】従来のガス流速によるＧａＡｓ／Ｓｉの膜厚
面内分布を示す図面である。

【図７】ＧａＡｓ／Ｓｉの膜厚面内均一性を示す図面
である。

【図８】ガス流速とウェーハサイズとの関係を示す図
面である。

【図９】ＧａＡｓ／Ｓｉ成長中の気化Ｓｉのわきだし
経路を示す図面である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藍郷崇神奈川県川崎市中原区井田1618番地新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板上に横型炉を用いたＭＯＣ
ＶＤ法でガリウム砒素を結晶成長させる方法において、
基板上のガス流速を８０〜１２０ｃｍ／ｓｅｃとするこ
とを特徴とするシリコン基板上のガリウム砒素の製造方
法。