專利名稱：：砷化鎵單晶襯底及制造砷化鎵單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于集成電路和微波元件的GaAs(砷化鎵)單晶襯底及使用該襯底的外延晶片。
背景技術(shù)：
：半絕緣GaAs晶體通常是通過例如液封直拉法(LEC法)和垂直區(qū)熔法(VB法)等制造方法制造的。通過調(diào)節(jié)生長(zhǎng)時(shí)的溫度梯度和冷卻速率，可以將GaAs單晶襯底的位錯(cuò)密度控制在1000-100000cm-2范圍內(nèi)。通過調(diào)節(jié)溶液的雜質(zhì)濃度、Ga與As的比例及凝固后的溫度滯后，已可以控制GaAs單晶襯底的碳濃度和EL2濃度。一般來說，這兩個(gè)濃度即碳濃度和EL2濃度被認(rèn)為是控制電阻率的因素。碳濃度在0.9-10.0xl0"cm3和EL2的濃度在12.0-16.0xl015cm,，已制造出電阻率約為0.1-2.0xl08Qcm的襯底。參考文獻(xiàn)1(T.Kawase等人，第九屆半導(dǎo)體和絕緣材料會(huì)議的會(huì)刊，Toulouse,France(1996)275-278)7>開了通過VB法制造的具有低位錯(cuò)密度的GaAs單晶襯底的例子。該GaAs單晶襯底的碳濃度為7-8xl015cnT3，熱處理后的EL2濃度為1.3x1016cm-3，電阻率為3.5-6.5xl07Qcm，平面平均位錯(cuò)密度為1000-2000citT2，光彈性分析測(cè)得的平均殘余應(yīng)變?yōu)?.2-0.3xl0一5。人們預(yù)計(jì)常規(guī)GaAs單晶村底可以作為需要高速工作和低功耗的電子器件的襯底材料。用于電子器件的襯底中，具有生長(zhǎng)于其上的外延薄膜層用作器件工作層的襯底被稱為"外延晶片"。在制造外延晶片時(shí)，在生長(zhǎng)外延薄膜層時(shí)，必須將襯底加熱到稱作生長(zhǎng)溫度的溫度，并使襯底表面與液相或氣相的Ga、As和少量稱作摻雜劑的雜質(zhì)接觸。對(duì)具有層疊于襯底上的多個(gè)外延層的外延晶片進(jìn)行表面腐蝕、淀積用于電極的金屬、并加工成芯片，從而可以形成電子器件。這樣形成的電子器件的基本特征是對(duì)電壓輸入信號(hào)的放大。特別是，用于衛(wèi)星通信等的電子器件需要高輸出和高電壓下的可操作性。因此，特別需要具有優(yōu)異的耐壓特性的GaAs單晶襯底。然而，常規(guī)單晶襯底一般具有低碳濃度，因此不能耐受溫度升高以形成實(shí)際的外延層時(shí)的熱應(yīng)力，所以稱為滑移位錯(cuò)的臺(tái)階形成在襯底表面上。當(dāng)在臺(tái)階上制造器件時(shí)，不可能得到所需要的器件特性，因此生產(chǎn)成品率極大下降。另外，該襯底電阻率低和在能帶中具有大量EL2之類的深能級(jí)，所以只能提供具有低耐壓性的器件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決上述問題，并提供一種GaAs單晶襯底和使用該村底的外延晶片，可以抑制生長(zhǎng)外延層時(shí)滑移位錯(cuò)的產(chǎn)生，并能夠提高器件的耐壓特性。為了達(dá)到上述目的進(jìn)行了不同的實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了防止滑移位錯(cuò)的產(chǎn)生并改善器件的耐壓特性，重要的是控制硼濃度，基于此發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了本發(fā)明。如以下所述，本發(fā)明的特征在于限定GaAs單晶襯底中的合適硼濃度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供GaAs單晶襯底，該襯底平面平均位錯(cuò)最大為2x10cirT2，碳濃度為2.5-20.0x1015cnT3,硼濃度為2.0-20.0x1016cm3，除碳和硼外的雜質(zhì)濃度最多為lxl017cnT3,EL2濃度為5.0-10.0xl015cm-3，電阻率為1.0-5.0xl08Qcm，光彈性分析測(cè)得的平均殘余應(yīng)變最大為l.Oxl(T5。通過調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)時(shí)原材料熔融物中的碳濃度和硼濃度，可以將碳濃度、硼濃度及除碳和硼外的雜質(zhì)濃度分別調(diào)節(jié)到2.5-20.0x1015cm3,2.0-20.0xl016cm3,及最多l(xiāng)xl017cnT3。通過調(diào)節(jié)Ga與As的比例及晶體凝固后的溫度滯后，可以將平面平均位錯(cuò)密度和EL2濃度及電阻率分別調(diào)節(jié)到2xl04cm—2,5.0畫10.0x1015cm3，1.0-5.0xl08ncm。另外，通過控制凝固后的溫度滯后，還可以將光彈性分析測(cè)得的平均殘余應(yīng)變(|Sr-St|)抑制到最多l(xiāng).OxlOcnT5。在用本發(fā)明的GaAs單晶襯底作外延晶片的襯底時(shí)，可以抑制溫度升高時(shí)產(chǎn)生滑移位錯(cuò)，是因?yàn)樘己团痣s質(zhì)濃度的作用，和溫度滯后控制實(shí)現(xiàn)的低殘余應(yīng)變及位錯(cuò)密度的緣故。結(jié)果，可以極大地提高器件的生產(chǎn)成品率。另外，在EL2濃度保持低，而硼濃度提高時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高電阻。結(jié)杲，在制造器件時(shí)，可以改善耐壓特性。最好是，本發(fā)明的GaAs單晶襯底的特征還在于利用熱激勵(lì)電流法探測(cè)到的深能級(jí)(0.31土0.05eV激活能)至少為lxl015cm3。通過調(diào)節(jié)Ga和As的比例，并控制晶體凝固后的溫度滯后，可以將利用熱激勵(lì)電流法探測(cè)到的深能級(jí)(0.31土0.05eV激活能)調(diào)節(jié)到至少為lxl015cm3。以此方式，通過控制原材料熔融物中的雜質(zhì)的濃度，及控制凝固后的溫度滯后，可以制造滿足本發(fā)明特性的GaAs單晶襯底。另外，在本發(fā)明的GaAs單晶襯底用作外延晶片的襯底時(shí)，由于利用熱激勵(lì)電流法探測(cè)到的深能級(jí)(激活能0.31士0.05eV)高，所以可以得到較高的電阻。結(jié)果，可以進(jìn)一步改善制造器件時(shí)的耐壓特性。根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供外延晶片，該晶片具有外延生長(zhǎng)于上述本發(fā)明的GaAs單晶襯底上厚至少為O.l微米的薄膜。通過以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)說明，可以更清楚本發(fā)明的上述和其它目的、特點(diǎn)、方案及優(yōu)點(diǎn)。圖l是表示熱處理后熱激勵(lì)電流波鐠的曲線圖。圖2是展示所制造的作為本發(fā)明一個(gè)例子的FET的結(jié)構(gòu)的剖面圖。具體實(shí)施方式例子通過VB法生長(zhǎng)直徑100mm、直體長(zhǎng)度為100mm的GaAs單晶樣品。除原材料GaAs外，以ppm量級(jí)變化的量加入碳和硼，與原材料GaAs—起熔融，在溫度梯度為2-10°C/cm的熱環(huán)境中生長(zhǎng)晶體。晶體生長(zhǎng)后，以10-100。C/小時(shí)的速率冷卻樣品。此后，在熱處理爐中100-IOO(TC的溫度下熱處理晶體才羊品。以此方式得到的晶體樣品的特征如表1-3所示。根據(jù)預(yù)定波長(zhǎng)的光吸收估算碳濃度和EL2濃度。利用輝光放電質(zhì)鐠儀(GDMS)評(píng)估除碳外的雜質(zhì)濃度，利用霍爾電阻率測(cè)量法(范德堡法)評(píng)估電阻率，運(yùn)用利用紅外光的光彈性分析評(píng)估殘余應(yīng)變，并利用熱激勵(lì)電流法評(píng)估深能級(jí)。在熱激勵(lì)電流法中，用波長(zhǎng)為830nm的單色光照射在黑暗中冷卻到80K的樣品，直到得到的光電流達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，此后，再在黑暗中加熱樣品，并獲取電信號(hào)。根據(jù)溫度與光電增益系數(shù)間的關(guān)系歸一化載流子濃度和溫度與壽命的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)激活能為0.31eV的能級(jí)濃度。圖1是表示熱處理后熱激勵(lì)電流波譜的曲線圖，其中橫軸表示溫度(K)，縱軸表示熱激勵(lì)電流(A)。參見圖1，該例子中，0.31eV能級(jí)的濃度為3.8x10"cnT3。關(guān)于滑移位錯(cuò)的數(shù)量，利用MBE爐，以100。C/小時(shí)的速率加熱樣品到600°C,從而外延生長(zhǎng)厚為1微米的GaAs層。生長(zhǎng)后，以相同的速率冷卻樣品，檢測(cè)取出的襯底表面上的臺(tái)階，計(jì)算每個(gè)襯底上滑移位錯(cuò)的數(shù)量。關(guān)于擊穿電壓(Vbd)，利用由MBE法生長(zhǎng)了晶體后的器件處理制造每個(gè)都具有圖2所示結(jié)構(gòu)的FET，測(cè)量柵和漏間反偏態(tài)時(shí)電流開始流動(dòng)的電壓。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>參見表1-3，樣品l-12是一種GaAs單晶襯底，具有最大為2xl04cm-2的平面平均位錯(cuò)密度，2.5-20.0x1015cm-3的碳濃度，2.0-20.0xl016citT3的硼濃度，最多為lxl017cm'3的除碳和硼外的雜質(zhì)濃度，5.0-10.0xl015cnT3的EL2濃度，1.0-5.0xl08Qcm的電阻率，及最大為1.0xl0-s的光彈性分析測(cè)得的平均殘余應(yīng)變。具體說，樣品1-9是還滿足利用熱激勵(lì)電流法探測(cè)到的深能級(jí)(0.31士0.05eV的激活能)至少為lxl0"cm-3的GaAs單晶村底。與樣品10-12相比，這些樣品一般具有較高的Vbd值，可以看出，進(jìn)一步改善了制造器件時(shí)的耐壓特性。樣品13-21是比較例的GaAs單晶襯底。更具體說，樣品13具有本發(fā)明限定范圍內(nèi)的碳濃度、硼濃度和電阻率值。樣品14具有本發(fā)明限定范圍內(nèi)的EL2濃度和0.31eV能級(jí)深濃度。樣品15具有本發(fā)明限定范圍內(nèi)的硼濃度。樣品16具有本發(fā)明限定范圍內(nèi)的位錯(cuò)密度、碳濃度、硼濃度、EL2濃度、電阻率、平均殘余應(yīng)變和0.31eV能級(jí)濃度。樣品17具有本發(fā)明限定范圍內(nèi)的硼濃度和電阻率。樣品18-21具有本發(fā)明限定范圍內(nèi)的硼濃度?？梢钥闯觯容^例的GaAs單晶襯底一般具有較大數(shù)量的滑移位錯(cuò)和較小的Vbd值。盡管具體介紹和展示了本發(fā)明，但應(yīng)清楚地理解，這只是例示性的，并非對(duì)發(fā)明的限制，本發(fā)明的精神和范圍只由所附權(quán)利要求書限定。權(quán)利要求1.一種GaAs單晶襯底，具有最大為2×104cm-2的平面平均位錯(cuò)密度，2.5-20.0×1015cm-3的碳濃度，2.0-20.0×1016cm-3的硼濃度，最多為1×1017cm-3的除碳和硼外的雜質(zhì)濃度，5.0-10.0×1015cm-3的EL2濃度，1.0-5.0×108Ωcm的電阻率，及最大為1.0×10-5的光彈性分析測(cè)得的平均殘余應(yīng)變，其中，所述GaAs單晶襯底是通過以2-10℃/cm的溫度梯度生長(zhǎng)、然后以10-100℃/小時(shí)的速率冷卻而獲得的。2.根據(jù)權(quán)利要求1的GaAs單晶村底，其中，所述GaAs單晶襯底是通過進(jìn)一步經(jīng)受100-1000。C的溫度范圍內(nèi)的熱處理而獲得的。3.根據(jù)權(quán)利要求l或2的GaAs單晶襯底，其特征在于利用熱激勵(lì)電流法探測(cè)到的深能級(jí)(0.31士0.05eV的激活能)至少為lxl015-3cmo4.一種制造GaAs單晶的方法，包括如下步驟通過^吏碳和硼與GaAs原材料一起熔融而形成熔融物；以2-10。C/cm的溫度梯度由所述熔融物生長(zhǎng)GaAs單晶；以及以10-100。C/小時(shí)的速率冷卻被生長(zhǎng)的所述GaAs單晶。5.根據(jù)權(quán)利要求4的制造GaAs單晶的方法，還包括在所述冷卻步驟之后在100-1000。C的溫度范圍內(nèi)對(duì)被冷卻的所述GaAs單晶進(jìn)行熱處理的步驟。6.—種GaAs單晶襯底，具有最大為2xl0、m^的平面平均位錯(cuò)密度，15.0-20.0xl015cm3的碳濃度和2.0-20.0xl016cm3的硼濃度，或者，2.5-20.0xl015cm3的碳濃度和14.0-20.0xl016cm3的硼濃度，最多為lxlO"ciT^的除碳和硼外的雜質(zhì)濃度，5.0畫10.0x1015cm-3的EL2濃度，l,0-5.0xl08Qcm的電阻率，及最大為l.Oxl(T5的光彈性分析測(cè)得的平均殘余應(yīng)變。全文摘要可以得到一種GaAs單晶襯底及使用該單晶襯底的外延晶片，可以抑制外延層生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生滑移位錯(cuò)，能夠改善器件的耐壓特性。GaAs單晶襯底具有最大為2×10⁴cm^-2的平面平均位錯(cuò)密度，2.5-20.0×10¹⁵cm^-3的碳濃度，2.0-20.0×10¹⁶cm^-3的硼濃度，最多為1×10¹⁷cm^-3的除碳和硼外的雜質(zhì)濃度，5.0-10.0×10¹⁵cm^-3的EL2濃度，1.0-5.0×10⁸Ωcm的電阻率，及最大為1.0×10^-5的光彈性分析測(cè)得的平均殘余應(yīng)變。文檔編號(hào)C30B11/00GK101451265SQ200810169408公開日2009年6月10日申請(qǐng)日期1999年8月18日優(yōu)先權(quán)日1998年9月28日發(fā)明者中井龍資,羽木良明申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社