專利名稱：砷化鎵單晶襯底及使用該襯底的外延晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaAs單晶襯底及使用該襯底的外延晶片。具體說，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。
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)生長時的溫度梯度和冷卻速率，可以將GaAs單晶襯底的位錯密度控制在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0.9-10.0×1015cm-3和EL2的濃度在12.0-16.0×1015cm-3時，已制造出電阻率約為0.1-2.0×108Ωcm的襯底。
參考文獻(xiàn)1(T.Kawase等人，第九屆半導(dǎo)體和絕緣材料會議的會刊，Toulouse，F(xiàn)rance(1996)275-278)公開了通過VB法制造的具有低位錯密度的GaAs單晶襯底的例子。該GaAs單晶襯底的碳濃度為7-8×1015cm-3，熱處理后的EL2濃度為1.3×1016cm-3，電阻率為3.5-6.5×107Ωcm，平面平均位錯密度為1000-2000cm-2，光彈性分析測得的平均殘余應(yīng)變?yōu)?.2-0.3×10-5。
人們預(yù)計常規(guī)GaAs單晶襯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，在生長外延薄膜層時，必須將襯底加熱到稱作生長溫度的溫度，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。對具有層疊于襯底上的多個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電壓輸入信號的放大。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)際的外延層時的熱應(yīng)力，所以稱為滑移位錯的臺階形成在襯底表面上。當(dāng)在臺階上制造器件時，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，所以只能提供具有低耐壓性的器件。
本發(fā)明的目的是解決上述問題，并提供一種GaAs單晶襯底和使用該襯底的外延晶片，可以抑制生長外延層時滑移位錯的產(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)明的一個方案，提供GaAs單晶襯底，該襯底平面平均位錯最大為2×10cm-2，碳濃度為2.5-20.0×1015cm-3，硼濃度為2.0-20.0×1016cm-3，除碳和硼外的雜質(zhì)濃度最多為1×1017cm-3，EL2濃度為5.0-10.0×1015cm-3，電阻率為1.0-5.0×108Ωcm，光彈性分析測得的平均殘余應(yīng)變最大為1.0×10-5。
通過調(diào)節(jié)晶體生長時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2.5-20.0×1015cm-3，2.0-20.0×1016cm-3，及最多1×1017cm-3。
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密度和EL2濃度及電阻率分別調(diào)節(jié)到2×104cm-2，5.0-10.0×1015cm-3，1.0-5.0×108Ωcm。
另外，通過控制凝固后的溫度滯后，還可以將光彈性分析測得的平均殘余應(yīng)變(|Sr-St|)抑制到最多1.0×10cm-5。
在用本發(fā)明的GaAs單晶襯底作外延晶片的襯底時，可以抑制溫度升高時產(chǎn)生滑移位錯，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，可以實(shí)現(xiàn)高電阻。結(jié)果，在制造器件時，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電流法探測到的深能級(0.31±0.05eV激活能)至少為1×1015cm-3。
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，可以將利用熱激勵電流法探測到的深能級(0.31±0.05eV激活能)調(diào)節(jié)到至少為1×1015cm-3。
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，由于利用熱激勵電流法探測到的深能級(激活能0.31±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于上述本發(fā)明的GaAs單晶襯底上厚至少為0.1微米的薄膜。
通過以下結(jié)合附圖對本發(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1是表示熱處理后熱激勵電流波譜的曲線圖。
圖2是展示所制造的作為本發(fā)明一個例子的FET的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
例子通過VB法生長直徑100mm、直體長度為100mm的GaAs單晶樣品。
除原材料GaAs外，以ppm量級變化的量加入碳和硼，與原材料GaAs一起熔融，在溫度梯度為2-10℃/cm的熱環(huán)境中生長晶體。晶體生長后，以10-100℃/小時的速率冷卻樣品。此后，在熱處理爐中100-1000℃的溫度下熱處理晶體樣品。
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)定波長的光吸收估算碳濃度和EL2濃度。利用輝光放電質(zhì)譜儀(GDMS)評估除碳外的雜質(zhì)濃度，利用霍爾電阻率測量法(范德堡法)評估電阻率，運(yùn)用利用紅外光的光彈性分析評估殘余應(yīng)變，并利用熱激勵電流法評估深能級。
在熱激勵電流法中，用波長為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。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的能級濃度。
圖1是表示熱處理后熱激勵電流波譜的曲線圖，其中橫軸表示溫度(K)，縱軸表示熱激勵電流(A)。參見圖1，該例子中，0.31eV能級的濃度為3.8×1014cm-3。
關(guān)于滑移位錯的數(shù)量，利用MBE爐，以100℃/小時的速率加熱樣品到600℃，從而外延生長厚為1微米的GaAs層。生長后，以相同的速率冷卻樣品，檢測取出的襯底表面上的臺階，計算每個襯底上滑移位錯的數(shù)量。
關(guān)于擊穿電壓(Vbd)，利用由MBE法生長了晶體后的器件處理制造每個都具有圖2所示結(jié)構(gòu)的FET，測量柵和漏間反偏態(tài)時電流開始流動的電壓。
表1
表2
<p>表3
>
參見表1-3，樣品1-12是一種GaAs單晶襯底，具有最大為2×104cm-2的平面平均位錯密度，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電流法探測到的深能級(0.31±0.05eV的激活能)至少為1×1015cm-3的GaAs單晶襯底。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。
可以看出，比較例的GaAs單晶襯底一般具有較大數(shù)量的滑移位錯和較小的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的光彈性分析測得的平均殘余應(yīng)變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的GaAs單晶襯底，其特征在于利用熱激勵電流法探測到的深能級(0.31±0.05eV的激活能)至少為1×1015cm-3。
3.一種外延晶片，具有外延生長于權(quán)利要求1所述的GaAs單晶襯底上的厚度至少為0.1微米的薄膜。
4.一種外延晶片，具有外延生長于權(quán)利要求2所述的GaAs單晶襯底上的厚度至少為0.1微米的薄膜。
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時產(chǎn)生滑移位錯,能夠改善器件的耐壓特性。GaAs單晶襯底具有最大為2×10
文檔編號C30B11/00GK1249368SQ9911792
公開日2000年4月5日 申請日期1999年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月28日
發(fā)明者羽木良明, 中井龍資 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社