JP7576672B2 - GaAs ingot manufacturing method and GaAs ingot - Google Patents
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Description
本発明は、GaAsインゴットの製造方法及びGaAsインゴットに関する。 The present invention relates to a method for producing a GaAs ingot and a GaAs ingot.
GaAs単結晶ウエハ(以下、GaAsウエハともいう。)を得るためのGaAs単結晶(以下、GaAsインゴットともいう。)の製造方法として、引き上げ(LEC)法、横型ボート(HB)法、縦型温度傾斜(VGF)法及び縦型ブリッジマン(VB)法が知られている。単結晶の種結晶を起点とし、これらの製造方法により結晶成長させた単結晶の直胴部を有する塊がインゴットであり、そのインゴットの直胴部からウエハが切り出される。同一のGaAsインゴットからは、複数のGaAsウエハが得られ、これら複数のウエハはウエハ群ともいわれる。 The known manufacturing methods for GaAs single crystals (hereinafter also referred to as GaAs ingots) to obtain GaAs single crystal wafers (hereinafter also referred to as GaAs wafers) are the LEC method, the horizontal boat (HB) method, the vertical temperature gradient (VGF) method, and the vertical Bridgman (VB) method. Starting from a single crystal seed crystal, a mass with a straight body of single crystal grown by these manufacturing methods is an ingot, and wafers are cut from the straight body of the ingot. Multiple GaAs wafers can be obtained from the same GaAs ingot, and these multiple wafers are also called a wafer group.
ここで、縦型温度傾斜(VGF)法及び縦型ブリッジマン(VB)法といった縦型ボート法は、ルツボの底部に種結晶を配置し、その種結晶の上層に単結晶の原料融液と封止剤の液体を配置して、当該ルツボを所定の温度分布から冷却することにより、原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させる方法である。縦型温度傾斜法(VGF法)の場合、温度そのものを降温し、縦型ブリッジマン法(VB法)の場合、当該ルツボを所定の温度分布内で相対的に移動させる。SiドープGaAs単結晶インゴットを製造する場合には、GaAs融液中にSiを添加する。揮発成分であるAsがインゴットから解離するのを防ぐ目的などのため、通常、封止剤として酸化ホウ素(B2O3)が用いられる。結晶成長中、GaAs融液と液体B2O3との界面では、以下の反応式(1)による酸化還元反応が起きることが知られている。
3Si(Melt中)+2B2O3=3SiO2(B2O3中)+4B(Melt中)・・・(1)
Here, the vertical boat method, such as the vertical temperature gradient (VGF) method and the vertical Bridgman (VB) method, is a method in which a seed crystal is placed at the bottom of a crucible, a single crystal raw material melt and a sealant liquid are placed on the upper layer of the seed crystal, and the crucible is cooled from a predetermined temperature distribution to grow a crystal from the bottom of the raw material melt upward. In the vertical temperature gradient (VGF) method, the temperature itself is lowered, and in the vertical Bridgman (VB) method, the crucible is moved relatively within a predetermined temperature distribution. When producing a Si-doped GaAs single crystal ingot, Si is added to the GaAs melt. Boron oxide (B 2 O 3 ) is usually used as a sealant to prevent As, a volatile component, from dissociating from the ingot. During crystal growth, it is known that an oxidation-reduction reaction occurs at the interface between the GaAs melt and the liquid B 2 O 3 according to the following reaction formula (1).
3Si (in Melt) + 2B 2 O 3 = 3SiO 2 (in B 2 O 3 ) + 4B (in Melt)... (1)
縦型ボート法は原料融液の下部から上方に向けて結晶を成長させるため、結晶に取り込まれなかった不純物は融液中に濃縮される。ここで、キャリア濃度を高めるべくGaAs融液中に添加するドーパントのSi(つまり、GaAs原料とともに投入するSi結晶)を多量にすると、上記反応式(1)の平衡が右辺側に進行し、GaAs融液中にホウ素(B)が多量に移動するため、結晶成長が進み不純物の濃縮が進むにつれて砒化ホウ素の発生も進行し、高い結晶性を得ることができなくなる。つまり、この製造方法で得られるGaAs単結晶においては、キャリア濃度と結晶性とがトレードオフの関係にある。 In the vertical boat method, the crystal is grown from the bottom to the top of the raw material melt, so impurities that are not incorporated into the crystal are concentrated in the melt. If a large amount of Si dopant (i.e., Si crystals added together with the GaAs raw material) is added to the GaAs melt to increase the carrier concentration, the equilibrium of the above reaction formula (1) advances to the right side, and a large amount of boron (B) moves into the GaAs melt. As the crystal growth progresses and the impurities become more concentrated, the generation of boron arsenide also progresses, making it impossible to obtain high crystallinity. In other words, in the GaAs single crystal obtained by this manufacturing method, there is a trade-off between carrier concentration and crystallinity.
特許文献1には、縦型ボート法において、GaAs融液と液体B2O3の界面に板状の
固体の二酸化ケイ素を配置して、高いキャリア濃度と高い結晶性を有するGaAs単結晶
を製造する方法が提案されている。
近年、半導体レーザーの中でも、VCSEL(垂直共振器型面発光レーザー)をはじめとる面発光レーザーの活用が活発に進められ、光通信、光センシング等に応用されている。これらの用途では、素子基板としてシリコン(Si)ドープ型のn型GaAsウエハが用いられ、GaAsウエハには、キャリア濃度が厳密に制御され、かつ低転位密度であることが求められる。具体的には、キャリア濃度は1.5×1018cm-3以上2.9×1018cm-3以下の範囲とすることが望ましく、また、低転位密度であることについては、6インチ未満(例えば、4インチ以下)のウエハでは、エッチピット密度の最大値が1200cm-2以下、6インチ以上のウエハではエッチピット密度の最大値が1500cm-2以下とすることが望ましい。
In recent years, among semiconductor lasers, surface-emitting lasers, including VCSELs (vertical-cavity surface-emitting lasers), have been actively utilized and are applied to optical communications, optical sensing, and the like. In these applications, silicon (Si)-doped n-type GaAs wafers are used as device substrates, and the GaAs wafers are required to have a strictly controlled carrier concentration and a low dislocation density. Specifically, the carrier concentration is preferably in the range of 1.5×10 18 cm −3 to 2.9×10 18 cm −3 , and the low dislocation density is preferably such that the maximum etch pit density is 1200 cm −2 or less for wafers less than 6 inches (e.g., 4 inches or less), and the maximum etch pit density is 1500 cm −2 or less for
特許文献1に開示されるGaAsインゴットからは、これらのキャリア濃度とエッチピット密度の最大値の条件を満たすウエハが限定的な数量しか得られず、生産性の点から課題を残していた。
The GaAs ingot disclosed in
結晶成長においては、Siの偏析によって、結晶化が進むにつれてGaAs融液中のSi濃度が上昇し、インゴットのシード側からテイル側に向けてSi濃度と共にキャリア濃度も上昇するのが通常である。インゴットの直胴部のシード側において下限となるキャリア濃度を1.5×1018cm-3以上にしようとGaAs融液に添加するドーパントとしてのSi原料の量を増やすと、結晶成長の初期に多結晶化が発生してしまい単結晶のインゴットが得られない場合が生じるようになる。例えば、4インチ用のGaAsインゴットの製造において、Siを含まないGaAs原料を使用して、ドーパントとしてSi原料を300wtppmよりも多く入れると、多結晶が発生しやすくなる。そこで、本発明者は、上述の課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、種結晶、ドーパントであるSi原料、GaAs原料及び封止剤である酸化ホウ素をルツボ内に収容して縦型ボート法で結晶成長を行うGaAsインゴットの製造方法において、ドーパントとしてSi原料を使用することに加え、原料であるGaAs原料に所定量のSiをドープさせるとともに、封止剤である酸化ホウ素に所定量のSiO2を含有させることで、結晶成長中のGaAs融液のSi濃度を制御することを通して、融液中の合計のSi量が、GaAs原料に所定量のSiをドープさせない場合には多結晶を発生させる場合がある量(例えば4インチ用で300wtppm)を超えていてもインゴットを多結晶化させることなく、インゴットの直胴部の大部分においてキャリア濃度及びエッチピット密度を所望の範囲内にすることができることを見出し、本発明を完成させた。以降、ドーパントとしてのSi原料のSi量に、GaAs原料中のSi量を足した量について、シリコンチャージ合計量と記載する。 In crystal growth, the Si concentration in the GaAs melt increases as crystallization progresses due to the segregation of Si, and the carrier concentration increases along with the Si concentration from the seed side to the tail side of the ingot. If the amount of Si raw material added as a dopant to the GaAs melt is increased in order to make the lower limit of the carrier concentration at the seed side of the straight body of the ingot 1.5×10 18 cm −3 or more, polycrystallization may occur at the beginning of crystal growth, making it impossible to obtain a single crystal ingot. For example, in the manufacture of a 4-inch GaAs ingot, if a GaAs raw material not containing Si is used and more than 300 wtppm of Si raw material is added as a dopant, polycrystallization is likely to occur. Therefore, the inventors have conducted intensive research to achieve the above-mentioned object, and have found that in a method for producing a GaAs ingot in which a seed crystal, a Si raw material as a dopant, a GaAs raw material, and boron oxide as a sealant are contained in a crucible and crystal growth is performed by a vertical boat method, the Si raw material is used as a dopant, and a predetermined amount of Si is doped into the GaAs raw material as a raw material, and a predetermined amount of SiO 2 is contained in the sealant, thereby controlling the Si concentration of the GaAs melt during crystal growth, and that even if the total amount of Si in the melt exceeds an amount that may cause polycrystals if the GaAs raw material is not doped with a predetermined amount of Si (for example, 300 wtppm for 4 inches), the ingot is not polycrystallized, and the carrier concentration and etch pit density can be within a desired range in most of the straight body of the ingot, and the present invention has been completed. Hereinafter, the amount obtained by adding the amount of Si in the Si raw material as a dopant to the amount of Si in the GaAs raw material is referred to as the total silicon charge amount.
本発明の要旨構成は以下のとおりである。
[1]種結晶、ドーパントであるSi原料、GaAs原料及び封止剤である酸化ホウ素をルツボ内に収容して縦型ボート法で結晶成長を行う、GaAsインゴットの製造方法において、
前記GaAs原料が、Si濃度がGaAsに対して20~200wtppmであるSiドープGaAsであり、
前記Si原料のチャージ量がGaAsに対して200~300wtppmであり、
前記酸化ホウ素が、Si換算で5mol%超のSiO2を含み、
前記Si原料、前記GaAs原料及び前記酸化ホウ素を加熱により溶融した後、液状の酸化ホウ素を攪拌しながら結晶成長を行う、GaAsインゴットの製造方法。
[2]直胴部の直径が140mm以下のGaAsインゴットの製造方法であって、前記GaAs原料中のSiと前記Si原料とを合計した、シリコンチャージ合計量がGaAsに対して300wtppm超となる、あるいは、
直胴部の直径が140mm超のGaAsインゴットの製造方法であって、前記Si原料のチャージ量がGaAsに対して200~250wtppmであり、前記GaAs原料中のSiと前記Si原料とを合計した、シリコンチャージ合計量がGaAsに対して250wtppm超となる、[1]に記載のGaAsインゴットの製造方法。
[3]直胴部の直径が140mm以下のGaAsインゴットであって、前記直胴部の70%以上から得られるウエハが、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1200cm-2以下である、あるいは
直胴部の直径が140mm超のGaAsインゴットであって、前記直胴部の70%以上から得られるウエハが、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1500cm-2以下である、GaAsインゴット。
The gist and configuration of the present invention are as follows.
[1] A method for producing a GaAs ingot, in which a seed crystal, a Si raw material as a dopant, a GaAs raw material, and boron oxide as a sealant are placed in a crucible and crystal growth is performed by a vertical boat method,
The GaAs raw material is Si-doped GaAs having a Si concentration of 20 to 200 wtppm relative to GaAs,
The charge amount of the Si raw material is 200 to 300 wtppm relative to GaAs,
The boron oxide contains more than 5 mol% SiO 2 calculated as Si,
the Si raw material, the GaAs raw material, and the boron oxide are melted by heating, and then crystal growth is carried out while stirring the liquid boron oxide.
[2] A method for producing a GaAs ingot having a diameter of 140 mm or less, wherein the total silicon charge amount, which is the sum of the Si in the GaAs raw material and the Si raw material, exceeds 300 wtppm relative to GaAs; or
A method for producing a GaAs ingot having a diameter of a straight body portion exceeding 140 mm, wherein the charge amount of the Si raw material is 200 to 250 wtppm relative to GaAs, and the total silicon charge amount, which is the sum of the Si in the GaAs raw material and the Si raw material, exceeds 250 wtppm relative to GaAs.
[3] A GaAs ingot having a straight body diameter of 140 mm or less, in which wafers obtained from 70% or more of the straight body have a carrier concentration of 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and a maximum etch pit density of 1200 cm -2 or less, or a GaAs ingot having a straight body diameter of more than 140 mm, in which wafers obtained from 70% or more of the straight body have a carrier concentration of 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and a maximum etch pit density of 1500 cm -2 or less.
本発明によれば、キャリア濃度が厳密に制御され、かつ低転位密度であるGaAsウエハを効率よく得られるGaAsインゴット及びその製造方法が提供される。 The present invention provides a GaAs ingot and a method for producing the same that can efficiently produce GaAs wafers with a strictly controlled carrier concentration and low dislocation density.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
<GaAsインゴット>
(GaAsインゴットのシード側、中央部及びテイル側)
図1は、本発明のGaAsインゴットの模式図であり、コーン部から直胴部に変わる位置15、位置15から位置17までの長さの半分の位置(中間)16及び直胴部が終わる位置17の各位置が示されている。GaAsインゴットは種結晶6(シードともいう)から増径する領域19(コーン部ともいう)を介して直径が略同一の直胴部18を有する。直胴部が終わる位置17から先の成長完了までをテイルという。コーン部から直胴部に変わる位置15からウエハ加工に供される直胴部が終わる位置17までの長さを100%として、前者の位置15を0%、後者の位置17を100%とした場合、0~5%の範囲を直胴部のシード側(以下、単にシード側ともいう)、40~60%の範囲を直胴部の中央部(以下、単に中央部ともいう)、88~100%の範囲を直胴部のテイル側(以下、単にテイル側ともいう)という。直胴部が終わる位置17(100%の位置)は、インゴット全体の体積を100%としたときの体積90%の位置(結晶化率90%の位置)とする。
図1に、位置15と位置17の中間(50%)の位置16を示す。以降、位置16を単に中間ともいう。
直胴部における各ウエハの位置が直胴部のシード側の端から何パーセントの位置かを示したものを「直胴シードからの位置」とも記載する。GaAsインゴットは、シード側15からテイル側17に向けて固液界面が移動して結晶成長が行われる。
<GaAs ingot>
(Seed side, center and tail side of GaAs ingot)
FIG. 1 is a schematic diagram of a GaAs ingot according to the present invention, showing the
1 shows
The position of each wafer in the straight body portion as a percentage from the end of the straight body portion on the seed side is also referred to as the "position from the seed of the straight body." In the GaAs ingot, the solid-liquid interface moves from the
本発明に従うGaAsインゴットに関するキャリア濃度及びエッチピット密度(EPD)の平均値と最大値はGaAsインゴットの直胴部18から得られるウエハに対する測定を行うことで得ることができる。
The average and maximum carrier concentration and etch pit density (EPD) for GaAs ingots according to the present invention can be obtained by performing measurements on wafers obtained from the
GaAsインゴット18の直径は特に限定されず、140mm未満であっても140mm以上であってもよい。GaAsインゴット18の直径は、例えば50mm以上140mm未満、140mm以上162mm以下とすることができる。
ウエハのサイズは、GaAsインゴットの直胴部18の径により、適宜選択することができ、例えば2~8インチとすることができる。GaAsインゴット18の直径140mm未満の場合、通常、ウエハのサイズは6インチ未満であり、GaAsインゴット18の直径140mm以上の場合、通常、ウエハのサイズは6インチ以上である。
The diameter of the GaAs
The size of the wafer can be appropriately selected depending on the diameter of the
<GaAsインゴットの製造方法>
本発明に従うGaAsインゴットの製造方法は、種結晶、ドーパントであるSi原料、GaAs原料及び封止剤である酸化ホウ素をルツボ内に収容して縦型ボート法で結晶成長を行う方法である。縦型ボート法としては、縦型温度傾斜(VGF)法又は縦型ブリッジマン(VB)法のいずれも用いることができる。
<Method of manufacturing GaAs ingot>
The method for producing a GaAs ingot according to the present invention is a method for growing a crystal by placing a seed crystal, a Si source as a dopant, a GaAs source, and boron oxide as a sealant in a crucible and using a vertical boat method, which may be either a vertical temperature gradient (VGF) method or a vertical Bridgman (VB) method.
以下、図3及び図4を参照して本製造方法をより詳細に説明する。 The manufacturing method will be described in more detail below with reference to Figures 3 and 4.
(製造装置と温度制御)
図3は、本発明に従うGaAsインゴットの製造方法で使用するための製造装置の一例について、断面図を模式的に示したものである。
図3に示す製造装置は、外部より真空排気及び雰囲気ガス充填が可能な気密容器7と、気密容器7内の中央に配置されたルツボ3と、ルツボ3を収容保持するルツボ収納容器(サセプタ)2と、ルツボ収納容器(サセプタ)2を昇降及び/又は回転させる機構14(昇降・回転ロッドのみ図示する)と、気密容器7内においてルツボ収納容器(サセプタ)2を取り囲むように装備されたヒーター1を備えている。
ルツボ3上部には、回転及び上下移動可能な攪拌翼20を取り付けた上部ロッド21が配置されている。攪拌翼20と上部ロッド21は攪拌手段を形成するが、攪拌翼20は上部ロッド21から取り外し可能であり、上部ロッド21には封止剤収納容器や、他の部材を取り付けることができる。
ルツボ3は、熱分解窒化ホウ素(PBN:Pyrolytic Boron Nitride)よりなるものを用いることができる。図3では、ルツボ3には、種結晶6、化合物半導体原料5(原料融液ともいう)、封止剤としての酸化ホウ素(B2O3)4が充填され、気密容器7内は一例として不活性ガス8が充填された状態となっている。
(Production equipment and temperature control)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an example of a manufacturing apparatus for use in the method for manufacturing a GaAs ingot according to the present invention.
The manufacturing apparatus shown in FIG. 3 includes an airtight container 7 that can be evacuated to a vacuum and filled with an atmospheric gas from the outside, a
An
A crucible made of pyrolytic boron nitride (PBN) can be used as the
図4は、本発明に従うGaAsインゴットの製造方法で使用するためのルツボの一例について、断面図を模式的に示したものであり、結晶成長開始前の原料等を充填した状態に対応する。図4に示すルツボ3の中には、種結晶6とGaAs原料9と、ドーパントであるSi原料10、封止剤である酸化ホウ素4が充填される。図4では、GaAs原料9は、GaAs多結晶の破砕物(9A)のほかに、円筒状のGaAs多結晶(9B)、円板状のGaAs多結晶(9C)を用意して、Si原料を円筒状のGaAs多結晶(9B)と円板状のGaAs多結晶(9C)により作られる容器内に配置しているが、このような態様に限定されず、例えばGaAs多結晶の破砕物のみを充填してもよい。
Figure 4 is a schematic cross-sectional view of an example of a crucible for use in the method for producing a GaAs ingot according to the present invention, showing the state in which the raw materials are filled before the start of crystal growth. The
これらの充填が終了した後、不活性ガスを充填した成長炉内において、種結晶6が融解しないように、種結晶6側の温度が低くなるようにPID制御されたヒーターにより温度傾斜をかけながら、GaAs原料9をGaAsの融点の1238℃以上まで昇温させて、GaAs原料9と酸化ホウ素4を融解させ、Si原料10をGaAs原料9に溶解させる。次いで、種結晶6付近の温度を上昇させ種結晶6の上部が融解したところで、温度傾斜をかけながら全体の温度を徐々に下げることで、GaAsインゴットを得ることができる。この際、降温速度は10℃/h以下とすることが好ましい。
After these fillings are completed, in a growth furnace filled with inert gas, the GaAs
(攪拌)
本発明に従うGaAsの製造方法においては、結晶成長中に、液状の酸化ホウ素4を攪拌する。直胴部のシード側において結晶成長が開始する時点から中間に至るまでの間(直胴シードからの位置が1~50%まで)で攪拌を開始していることが好ましい。攪拌は、直胴部のテイル側の結晶成長が終わるまで継続することが好ましく、結晶成長が終了するまで継続してもよい。
(Mixing)
In the GaAs manufacturing method according to the present invention, the
攪拌は、攪拌手段を封止剤(酸化ホウ素4)内に配置して回転することにより行うことが好ましい。本発明では、結晶成長の開始から攪拌開始までは封止剤にSiをできるだけ吸収させずに原料融液中のSi濃度を比較的高い状態で維持することが望ましく、攪拌は偏析によるSi濃度の極端な上昇を抑制する目的で最小限に使用される。そのため、回転数は、直胴部のシード側からテイル側に向けて階段状に変化させても連続的に変化させてもよいが、到達する最大の回転数は、3rpm以下とすることが好ましい。
攪拌手段は、攪拌翼20が回転軸の周囲に取り付けられた形状であることができる。
攪拌翼20の形状は、特に限定されず、所定形状の板状部材からなることができ、例えば、2~8枚の略四角形状の板状部材からなるものが挙げられ、素材としてカーボン、BN等が挙げられる。板状部材は、原料融液と酸化ホウ素4が静止状態で形成する界面に対して、45°以上135°以下の傾斜角度で取り付けられていることが好ましい。
攪拌翼20は、攪拌手段を回転したときの回転軌跡が形成する面積が、原料融液と酸化ホウ素4が静止状態で形成する界面の面積の30%以上となる大きさであることが好ましく、より好ましくは70%以上である。
攪拌翼20の下端と、原料融液と酸化ホウ素4が静止状態で形成する界面との距離は2mm未満であることが好ましく、好ましくは1mm以下である。ただし、界面に攪拌翼20の下端が接触しないようにすることが好ましい。
The stirring is preferably performed by rotating a stirring means disposed in the sealant (boron oxide 4). In the present invention, it is desirable to maintain the Si concentration in the raw material melt at a relatively high level by preventing the sealant from absorbing Si as much as possible from the start of crystal growth until the start of stirring, and stirring is used to a minimum in order to suppress an extreme increase in the Si concentration due to segregation. For this reason, the rotation speed may be changed stepwise or continuously from the seed side of the straight body to the tail side, but the maximum rotation speed reached is preferably 3 rpm or less.
The stirring means can have a shape in which stirring
The shape of the
The stirring
The distance between the lower end of the
攪拌は、結晶成長が中間まで進んだタイミングで0.5rpm以上の回転数で攪拌していることが好ましく、2.5rpm以上の回転数で攪拌していることがより好ましい。中間を超えた後に融液中のSiの偏析が増えてキャリア濃度が2.5×1018cm-3を超えてくる傾向があるため、その頃に強く攪拌することで融液中のSiの封止剤内への吸収を促進し、偏析によるSi濃度の急上昇を抑制して転位の発生とキャリア濃度の急上昇を抑制するようにするためである。 The stirring is preferably performed at a rotation speed of 0.5 rpm or more when the crystal growth has progressed to the middle, and more preferably at a rotation speed of 2.5 rpm or more. Since there is a tendency for the segregation of Si in the melt to increase and the carrier concentration to exceed 2.5×10 18 cm -3 after the middle stage is reached, strong stirring at this time promotes the absorption of Si in the melt into the sealant and suppresses a sudden rise in the Si concentration due to segregation, thereby suppressing the occurrence of dislocations and a sudden rise in the carrier concentration.
(種結晶)
種結晶6は特に限定されず、公知の種結晶を用いることができる。種結晶6のサイズは特に制限されず、ルツボ3の内径を径とする断面積に対して、例えば1~20%の断面積を有していればよく、3~17%の断面積を有していることが好ましい。成長しようとする結晶の径が100mmを超える場合には、種結晶6の断面積は、ルツボ内径を径とする断面積に対して2~10%とすることができる。
(Seed crystal)
There is no particular limitation on the
(ルツボ内径とウエハサイズ)
ルツボ3の内径は、目的とするウエハサイズよりも僅かに大きいことが好ましい。目的とするウエハサイズは、例えば2インチ以上とすることができ、3インチ以上が好ましい。ウエハサイズの上限は特に限定されず、例えば8インチ以下とすることができる。直胴部の直径が140mm以下のインゴットからは例えば直径2インチ~4インチのウエハが作製され、直胴部の直径が140mm超のインゴットからは例えば直径6インチ~8インチのウエハが作製される。
(Crucible inner diameter and wafer size)
The inner diameter of the
(GaAs原料)
GaAs原料として、Si濃度がGaAsに対して20~200wtppmであるSiドープGaAsを使用する。使用するGaAs原料は多結晶でも単結晶でもよい。GaAs原料においてSi濃度とは、ホール測定により測定されるキャリア濃度より算出されるSi濃度のことをいう。キャリア濃度より算出されるSi濃度がこの範囲であれば、後述するSi原料10と合算してのGaAsに対するシリコンチャージ合計量が多くても結晶成長において単結晶化が阻害されず、かつ、得られるGaAsインゴット中のキャリア濃度を所望の範囲に容易に制御することができる。GaAs原料は融かして使用するため、使用するGaAs原料全体での平均のSi濃度が上記範囲となるようにすればよく、異なるSi濃度を持つGaAs原料を組み合わせて使用してもよい。
(GaAs raw material)
As the GaAs raw material, Si-doped GaAs with a Si concentration of 20 to 200 wtppm relative to GaAs is used. The GaAs raw material used may be polycrystalline or single crystalline. The Si concentration in the GaAs raw material refers to the Si concentration calculated from the carrier concentration measured by Hall measurement. If the Si concentration calculated from the carrier concentration is within this range, single crystallization is not hindered in crystal growth even if the total amount of silicon charge to GaAs combined with the Si
ここで、キャリア濃度より算出されるSiドープGaAs多結晶のSi濃度は、以下のようにして測定して計算することができる。なお、単結晶の場合も同様の方法で計算することができる。なお、以下のキャリア濃度からSi濃度への換算方法は、GaAsのドーパントはSiであり、他のp型ドーパントやn型ドーパントは意図的には含まれていないものとした場合のものである。
<ホール測定によるキャリア濃度>
・SiドープGaAs多結晶のシード側とテイル側について、厚さ約1mmのウエハ状物を切り出す。
・多結晶であるウエハ状物の、できるだけ大きな結晶粒界から□10mmサイズでケガキ針でキズを付け、ウエハ状物の中央部から□10mmサイズでサンプルを切り出す。
・サンプルの4隅にインジウム電極を付けて330~360℃に加熱した後、Van der Pauw法によりキャリア濃度を測定する。
Here, the Si concentration of Si-doped polycrystalline GaAs calculated from the carrier concentration can be measured and calculated as follows. The same method can be used for single crystals. The following method of converting carrier concentration to Si concentration is based on the assumption that the dopant of GaAs is Si, and that no other p-type or n-type dopants are intentionally included.
<Carrier concentration by Hall measurement>
The seed side and tail side of the Si-doped GaAs polycrystal are cut into wafers each having a thickness of about 1 mm.
A polycrystalline wafer-like object is scratched with a marking needle at the largest possible crystal grain boundary to a size of 10 mm square, and a sample is cut out at a size of 10 mm square from the center of the wafer-like object.
- Indium electrodes are attached to the four corners of the sample and it is heated to 330-360°C, after which the carrier concentration is measured using the Van der Pauw method.
<活性化率を用いてのSi濃度への換算>
・活性化率を48%として、キャリア濃度の値を0.48で割ることによりSi原子濃度の値(cm-3)を算出する。
・GaAsのバルク密度(5.3161g/cm3)とアボガドロ数、Siの原子量(28.1)を用いて、Si原子濃度の値の単位(cm-3)から単位(wtppm)に換算する。
The activation rate is set to 48%, and the carrier concentration is divided by 0.48 to calculate the Si atom concentration (cm −3 ).
The bulk density of GaAs (5.3161 g/cm 3 ), Avogadro's number, and the atomic weight of Si (28.1) are used to convert the Si atomic concentration value from units (cm -3 ) to units (wtppm).
GaAs原料としてのSiドープGaAsの合成方法は限定されず、縦型ボート法によりルツボ内で合成を行う方法、横型ボート法によりアンプル中に設置されたボート内で合成を行う方法等を用いることができ、合成の際に、所望のGaAsに対するSi濃度に応じた量のSi原料をチャージする。 The method of synthesizing Si-doped GaAs as a GaAs raw material is not limited, and can be used in a crucible using the vertical boat method, or in a boat installed in an ampoule using the horizontal boat method, and during synthesis, an amount of Si raw material according to the desired Si concentration for GaAs is charged.
縦型ボート法を用いる場合、例えば、ルツボに、高純度Ga、高純度As及びSi原料(例えば、高純度Siのショットや高純度Si基板の破砕物)を充填し、結晶成長させて、SiドープGaAs多結晶を得ることができる。ルツボへの充填は、高純度Asの半量、Si原料の全量、高純度Asの残りの半量、高純度Gaの順で行うことができるが、充填の順序はこれに限定されない。GaAs多結晶の合成においては、Siのドープの促進の点と、GaAs原料として用いた際のGaAs融液中のホウ素量を抑制する点から、封止剤である酸化ホウ素を用いないことが好ましい。 When using the vertical boat method, for example, a crucible can be filled with high-purity Ga, high-purity As, and Si raw material (e.g., high-purity Si shots or crushed high-purity Si substrates) and crystals can be grown to obtain Si-doped GaAs polycrystals. The crucible can be filled in the following order: half of the high-purity As, the entire amount of the Si raw material, the remaining half of the high-purity As, and high-purity Ga, but the filling order is not limited to this. In the synthesis of GaAs polycrystals, it is preferable not to use boron oxide, which is a sealant, in order to promote Si doping and to suppress the amount of boron in the GaAs melt when used as a GaAs raw material.
GaAs原料としてのSiドープGaAsには、他のSiドープしたGaAs単結晶インゴットにおけるウエハに加工しない直胴部以外の部分(コーン部や直胴部のテイル側以降の領域)や、ウエハ加工時に生じる不要部分を、加工したり砕いたりしたリサイクル品を使用することもできる。 For the Si-doped GaAs used as the GaAs raw material, recycled products that have been processed or crushed can be used, including parts of other Si-doped GaAs single crystal ingots other than the body part that is not processed into wafers (the cone part or the area after the tail side of the body part), or unnecessary parts generated during wafer processing.
(ドーパント)
ドーパントとしてSi原料10を使用する。Si原料10は、高純度Siのショットや高純度Si基板の破砕物であることができ、GaAs原料9中に添加する。
Si原料10のチャージ量は、GaAs原料9のGaAsに対して、200~300wtppmの量とする。220~300wtppm以上とすることがより好ましく、240~290wtppmとすることがさらに好ましい。
(Dopant)
A
The charge amount of the
直胴部の直径が140mm以下のインゴットに対しては、上記のGaAs原料中のSiと当該Si原料10とを合計したシリコンチャージ合計量は、GaAsに対して300wtppm超となることが好ましい。このとき、Si原料10のチャージ量はGaAsに対して220~300wtppm以下とすることがより好ましい。
直胴部の直径が140mm超のインゴットに対しては、Si原料10のチャージ量はGaAsに対して200~250wtppmとすることが好ましく、220~250wtppmとすることがより好ましく、上記のGaAs原料中のSiと当該Si原料10とを合計したシリコンチャージ合計量は、GaAsに対して250wtppm超となることが好ましい。
例えば、4インチ用のGaAsインゴットの製造において、Siを含まないGaAs原料を使用して、ドーパントとしてSi原料を300wtppmよりも多く入れると、多結晶化する傾向があり、また、6インチ用のGaAsインゴットの製造において、Siを含まないGaAs原料を使用して、ドーパントとしてSi原料を250wtppmよりも多く入れると、多結晶化する傾向がある。しかしながら、本発明のように、GaAs原料に予めSiを含めておいた場合には、シリコンチャージ合計量をそのような量としても、多結晶化させずにGaAs融液中にSiを含ませることが可能となり、直胴部全体のキャリア濃度を高めることができる。
シリコンチャージ合計量を上記のように制御すれば、結晶成長において単結晶化が阻害されず、かつ得られるGaAsインゴット中のキャリア濃度を所望の範囲に容易に制御することができる。
ここで、Si原料10のチャージ量には、SiドープGaAs原料及び酸化ホウ素に含まれているシリコンの量は含めない。シリコンチャージ合計量には、酸化ホウ素に含まれているシリコンの量は含めない。
For an ingot with a diameter of the straight body of 140 mm or less, the total silicon charge amount, which is the sum of the Si in the GaAs raw material and the Si
For an ingot having a diameter of the straight body portion exceeding 140 mm, the charge amount of the
For example, in the manufacture of a 4-inch GaAs ingot, if a GaAs raw material not containing Si is used and more than 300 wtppm of Si raw material is added as a dopant, polycrystallization tends to occur, and in the manufacture of a 6-inch GaAs ingot, if a GaAs raw material not containing Si is used and more than 250 wtppm of Si raw material is added as a dopant, polycrystallization tends to occur. However, in the case where Si is previously contained in the GaAs raw material as in the present invention, even if the total amount of silicon charge is set to such an amount, it is possible to include Si in the GaAs melt without polycrystallization, and the carrier concentration of the entire straight body portion can be increased.
By controlling the total silicon charge amount as described above, single crystallization during crystal growth is not hindered, and the carrier concentration in the resulting GaAs ingot can be easily controlled to a desired range.
Here, the charge amount of the
Si原料10は、ルツボの中央(インゴットの中央部に相当する位置)よりも下(種結晶側)に配置することが好ましい。Si原料10をGaAs容器に入れて、GaAs容器が融ける温度まで中のドーパントが容器の外に出ないようにしてもよい。シリコンはGaAsよりも密度が低いため、融液中、ドーパント(シリコン)が浮き上がってしまい、種結晶側のGaAs融液中のシリコン濃度が低くなって、GaAsインゴットのシード側のシリコン濃度が低くなるおそれがあるが、GaAs容器の使用は、そのような事態を回避する上で有効である。GaAs容器には、GaAs原料を加工して使用することができ、SiドープGaAs単結晶を加工してもよく、SiドープGaAs多結晶を加工したものでもよい。
The Si
本発明の効果を損なわない範囲で、Si原料10以外には、両性のドーパントを使用することができ、例えば、高純度In、インジウム化合物(例えば、高純度ヒ化インジウム(InAs)等)等のIn原料が挙げられる。
Amphoteric dopants other than the Si
それ以外のドーパントとして考えられる元素としては、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、炭素(C)、ゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)、窒素(N)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、さらには、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、クロム(Cr)、アンチモン(Sb)が挙げられるが、これらの元素は、不可避的に混入される量は許容されるが、意図して添加されていないことが好ましい。 Other elements that may be considered as dopants include beryllium (Be), magnesium (Mg), aluminum (Al), carbon (C), germanium (Ge), tin (Sn), nitrogen (N), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), as well as zinc (Zn), cadmium (Cd), chromium (Cr), and antimony (Sb). Although unavoidable amounts of these elements are permitted, it is preferable that they are not added intentionally.
(封止剤)
封止剤として酸化ホウ素(B2O3)4を使用する。酸化ホウ素4は、Si換算で5mol%超のSiO2を含む。この範囲であれば、B2O3が原料融液のSiを吸収する量が抑制され、また、B2O3のBが単結晶に取り込まれることを防止し、攪拌を行うときも原料融液のSi濃度を適切な範囲に制御することができる。酸化ホウ素4に含まれるSiO2の量は、Si換算で、好ましくは6mol%以上である。酸化ホウ素が固溶可能なSiの量に限界があることから、酸化ホウ素4に含まれるSiO2の量は、Si換算で、10mol%以下とすることができ、好ましくは7mol%以下である。
(Sealant)
Boron oxide (B 2 O 3 ) 4 is used as a sealant. The
封止剤である酸化ホウ素4は、GaAs原料9に対して、原料融液からのAs抜け抑制の点から、0.02wt%以上とすることができ、好ましくは0.03wt%以上であり、また、攪拌される封止剤が取り込むSi量が過剰にならないようにする点から、0.10wt%以下とすることができ、好ましくは0.06wt%以下である。
The amount of
本発明に従うGaAsインゴットの製造方法によれば、直胴部の直径が140mm以下のGaAsインゴットであって、直胴部の70%以上(好ましくは90%以上)から得られるウエハが、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1200cm-2以下であるか、あるいは直胴部の直径が140mm超のGaAsインゴットであって、前記直胴部の70%以上から得られるウエハが、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1500cm-2以下である、GaAsインゴットが得られる。 The method for producing a GaAs ingot according to the present invention can provide a GaAs ingot having a straight body diameter of 140 mm or less, in which wafers obtained from 70% or more (preferably 90% or more) of the straight body have a carrier concentration of 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and a maximum etch pit density of 1200 cm -2 or less, or a GaAs ingot having a straight body diameter of more than 140 mm, in which wafers obtained from 70% or more of the straight body have a carrier concentration of 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and a maximum etch pit density of 1500 cm -2 or less.
すなわち、GaAsインゴットの直胴部の直径が140mm以下の場合、直胴部から切り出すことができるウエハ全数のうち、70%以上(好ましくは90%以上)のウエハが、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3以下であり、かつエッチピット密度の最大値が1200cm-2以下の条件を満たす。エッチピット密度の最大値が1000cm-2以下であることがより好ましい。エッチピット密度の最大値の下限は特に限定されず、0であってもよい。
より好ましくは、92%以上のウエハが、上記の条件を満たす。全ウエハ(100%のウエハ)が上記の条件を満たしてもよい。
That is, when the diameter of the straight body part of a GaAs ingot is 140 mm or less, 70% or more (preferably 90% or more) of the total number of wafers that can be cut from the straight body part satisfy the conditions that the carrier concentration is 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 or less and the maximum etch pit density is 1200 cm -2 or less. It is more preferable that the maximum etch pit density is 1000 cm -2 or less. There is no particular restriction on the lower limit of the maximum etch pit density, and it may be 0.
More preferably, 92% or more of the wafers satisfy the above condition, and all the wafers (100% of the wafers) may satisfy the above condition.
GaAsインゴットの直胴部の直径が140mm超の場合、直胴部から切り出すことができるウエハ全数のうち、70%以上のウエハが、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1500cm-2以下の条件を満たす。エッチピット密度の最大値の下限は特に限定されず、0であってもよい。
より好ましくは、75%以上のウエハが、上記の条件を満たす。全ウエハ(100%のウエハ)が上記の条件を満たしてもよい。
When the diameter of the straight body of a GaAs ingot exceeds 140 mm, 70% or more of the wafers that can be cut out from the straight body satisfy the conditions that the carrier concentration is 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and the maximum etch pit density is 1500 cm -2 or less. The lower limit of the maximum etch pit density is not particularly limited and may be 0.
More preferably, 75% or more of the wafers satisfy the above condition, and all the wafers (100% of the wafers) may satisfy the above condition.
(キャリア濃度の測定方法)
キャリア濃度は、GaAsインゴットより抜き取ったウエハからウエハ中心部の10mm×10mmのサイズを割り取り、インジウム電極を四隅に付けて330~360℃に加熱した後、Van der Pauw法によるホール測定により測定した値とする。
(Method of measuring carrier concentration)
The carrier concentration is determined by cutting out a 10 mm x 10 mm piece from the center of a wafer extracted from a GaAs ingot, attaching indium electrodes to the four corners, heating to 330 to 360°C, and then measuring the carrier concentration by Hall measurement using the Van der Pauw method.
(エッチピット密度(EPD:Etch Pit Density)の測定方法)
エッチピット密度(EPD)の測定は、GaAsインゴットより抜き取ったウエハの表面を硫酸系鏡面エッチング液(H2SO4:H2O2:H2O=3:1:1(体積比))で前処理した後、液温320℃のKOH融液中に35分間浸積することでエッチピットを発生させ、この数を計測することにより行う。エッチピットは、閃亜鉛鉱型結晶特有の六角形にみえる形状からなり長径(中心を通る対角線の長さ)が20μm以上のものを計測対象とする。
(Method of measuring etch pit density (EPD))
The etch pit density (EPD) is measured by pretreating the surface of a wafer extracted from a GaAs ingot with a sulfuric acid-based mirror-finish etching solution ( H2SO4 : H2O2 : H2O =3:1:1 (volume ratio)), then immersing the wafer in a KOH melt at a liquid temperature of 320 ° C for 35 minutes to generate etch pits, and then counting the number of etch pits. Etch pits to be measured are those that have a hexagonal shape specific to zinc blende crystals and have a major axis (the length of the diagonal line passing through the center) of 20 μm or more.
エッチピット密度(EPD)の計測は、ウエハ上の69点又は37点に直径3mmのエリアを設定し、各エリアを顕微鏡で観察して発生させたエッチピットをカウントすることにより行う。
69点又は37点のエリアはウエハ全面にまんべんなく分布させることとする。
6インチウエハの場合は、69点のエリアを15mm間隔で均しく分散させた位置に設定し、3インチウエハの場合は、37点のエリアを10mm間隔で均しく分散させた位置に設定する。
69点のエリアを等しく分散させた位置に設定する場合、各エリアは、2インチウエハの場合は5mm間隔、4インチウエハは10mm間隔、8インチウエハの場合は20mm間隔になる。
図2に、6インチウエハに69点のエリアを設定した模式図を示す。
The etch pit density (EPD) is measured by setting areas of 3 mm diameter at 69 or 37 points on the wafer, observing each area with a microscope, and counting the etch pits that have occurred.
The 69-point or 37-point area is to be distributed evenly over the entire surface of the wafer.
In the case of a 6-inch wafer, an area of 69 points is set at positions evenly distributed at 15 mm intervals, and in the case of a 3-inch wafer, an area of 37 points is set at positions evenly distributed at 10 mm intervals.
When the 69 areas are set at equally distributed positions, the areas are spaced 5 mm apart for a 2-inch wafer, 10 mm apart for a 4-inch wafer, and 20 mm apart for an 8-inch wafer.
FIG. 2 shows a schematic diagram of 69 areas set on a 6-inch wafer.
各エリアの観察には、視野直径1.73mmとなる10倍対物レンズを使用する。全エリアについて、それぞれのエリアの中で最もピットが多く観察される視野を探してエッチピットをカウントし、エッチピットのカウント数を単位面積当たり(cm-2)に換算する。各エリアのエッチピットのカウント数の換算値のうち、最大の値をエッチピット密度(EPD)の最大値とする。また、各エリアのエッチピットのカウント数の換算値を平均した値をエッチピット密度(EPD)の平均値とする。 A 10x objective lens with a field of view diameter of 1.73 mm is used to observe each area. For each area, the field of view in which the most pits are observed is found, and the etch pits are counted, and the etch pit counts are converted to per unit area (cm -2 ). The maximum of the converted values of the etch pit counts in each area is taken as the maximum etch pit density (EPD). The average of the converted values of the etch pit counts in each area is taken as the average etch pit density (EPD).
本発明に従うGaAsウエハは、キャリア濃度が厳密に制御され、かつ低転位密度であり、VCSEL(垂直共振器型面発光レーザー)をはじめとる面発光レーザーの基板に好適である。 The GaAs wafer according to the present invention has a strictly controlled carrier concentration and a low dislocation density, making it suitable as a substrate for surface-emitting lasers, including VCSELs (vertical-cavity surface-emitting lasers).
上述したところは、本発明の代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。 The above are examples of typical embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these.
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples in any way.
(GaAs原料)
<GaAs原料1>
6N(純度99.9999%以上)のGaと6NのAsを合成して作製したGaAs多結晶である。
(GaAs raw material)
<GaAs
This is GaAs polycrystal made by synthesizing 6N (purity 99.9999% or more) Ga and 6N As.
<GaAs原料2>
6N(純度99.9999%以上)のGaと6NのAsに対して、高純度Siを350wtppm用いて、封止剤であるB2O3を用いずに、縦型ボート法により合成したSiドープGaAs多結晶である。ホール測定の測定値から換算したSi濃度はGaAsに対して80wtppmである。B2O3を用いていないため、SiドープGaAs多結晶にホウ素は添加されていない。
<GaAs raw material 2>
This is a Si-doped GaAs polycrystal synthesized by the vertical boat method using 6N (purity 99.9999% or more) Ga and 6N As, 350wtppm of high purity Si, and no sealing agent B2O3 . The Si concentration calculated from the Hall measurement value is 80wtppm relative to GaAs. Since B2O3 is not used, boron is not added to the Si-doped GaAs polycrystal.
<GaAs原料3>
他の単結晶インゴットにおける直胴部以外の部分を砕いたリサイクル品である。ホール測定の測定値から換算したSi濃度はGaAsに対して33wtppmである。原料中にはホウ素が含まれる。
<
This is a recycled product made by crushing the parts other than the straight body of other single crystal ingots. The Si concentration calculated from the Hall measurement is 33 wtppm relative to GaAs. Boron is included in the raw material.
<GaAs原料4>
6N(純度99.9999%以上)のGaと6NのAsに対して、高純度Siを450wtppm用いて、封止剤であるB2O3を用いずに、縦型ボート法により合成したSiドープGaAs多結晶である。ホール測定の測定値から換算したSi濃度はGaAsに対して175wtppmである。B2O3を用いていないため、SiドープGaAs多結晶にホウ素は添加されていない。
<GaAs
This is a Si-doped GaAs polycrystal synthesized by the vertical boat method using 450 wtppm of high purity Si for 6N (purity 99.9999% or more) Ga and 6N As, without using the sealing agent B2O3 . The Si concentration converted from the measured value of Hall measurement is 175 wtppm for GaAs. Since B2O3 is not used, boron is not added to the Si-doped GaAs polycrystal.
(封止剤)
<封止剤1>
Si換算で7mol%のSiO2を含むB2O3である。
(Sealant)
<
It is B 2 O 3 containing 7 mol % SiO 2 calculated as Si.
<封止剤2>
Si換算で5.3mol%のSiO2を含むB2O3である。
<Sealant 2>
It is B 2 O 3 containing 5.3 mol % SiO 2 calculated as Si.
(結晶番号1)
図3に示す構成を有する製造装置を用いて、GaAsインゴットの製造を行った。攪拌翼は、カーボンやBN等、結晶特性に影響しない材質の四角形状の板状部材を4枚、ロッドに取り付けたものであり、回転したときの回転軌跡が形成する面積が、GaAsの融液とB2O3が静止状態で形成する界面の面積の50%以上である。
(Crystal No. 1)
GaAs ingots were manufactured using a manufacturing apparatus having the configuration shown in Fig. 3. The stirring blades were four rectangular plate-like members made of materials that do not affect the crystal characteristics, such as carbon or BN, attached to a rod, and the area formed by the rotation locus when rotated was 50% or more of the area of the interface formed between the GaAs melt and B2O3 in a stationary state.
<ルツボへの原料の充填>
ルツボとして内径112mm、シード部の内径6~6.5mmのPBN製のルツボを準備した。図4に示すように、ルツボには、11900gのGaAs原料1と(100)面が結晶成長面となるように切り出したGaAs種結晶を充填した。GaAs種結晶の直径については、各ルツボのシード部内径より0.5mm小さくなるように機械研削とエッチングを組み合わせて調整した大きさのものを用いた。GaAs原料1を充填する途中で、ドーパント(Si原料)として高純度SiのショットをGaAsに対して300wtppm充填した。Si以外に、意図して添加した不純物元素はない。なお、粒状のドーパント(Si原料)10は、円筒状のGaAs多結晶9Bの上下を円板状のGaAs多結晶9Cで挟んだGaAs容器の中に入れた状態で充填し、GaAs容器が融ける温度までは中のドーパントがGaAs容器の外に出ないようにした。
<Filling the crucible with raw materials>
A PBN crucible with an inner diameter of 112 mm and an inner diameter of 6 to 6.5 mm was prepared as the crucible. As shown in FIG. 4, the crucible was filled with 11,900 g of GaAs
<結晶成長>
これらの原料を充填した後、封止剤1を550g充填した。充填後のルツボをルツボ収納容器(サセプタ)にセットした。図3に示す製造装置の内部を真空排気及びArガス置換を繰り返して不活性ガス雰囲気とした後、VGF法により単結晶を成長させた。
結晶成長工程では、まずGaAs種結晶が融解しないように、種結晶側の温度が低くなるようにPID制御されたヒーターにより温度傾斜をかけながらルツボ内の原料をGaAsの融点の1238℃以上まで昇温させて融液とした。その後、種結晶の上部が融解するように種結晶付近の温度を上昇させた後、温度傾斜をかけながら炉内全体の温度をヒーター制御により0.5℃/h以下の速度で降温していくことでSiをドーパントとしたn型のGaAsインゴットを成長させた。
コーン部が結晶成長して結晶直胴部に至る箇所までインゴットが成長した時点で、攪拌翼を封止剤内に入れ、封止剤(酸化ホウ素)と原料融液との界面と、攪拌翼の下端との距離が1mm以下で、かつ界面には下端が接触しないようにした。攪拌翼の回転速度は、回転数0rpmのままで中間まで成長し、中間からテイルにかけて0.5rpmで回転させ、テイルの成長完了まで攪拌を継続した。
得られたGaAsインゴットは、導電型としてはn型である。
<Crystal Growth>
After these raw materials were filled, 550 g of the
In the crystal growth process, the raw material in the crucible was first heated to 1238°C or higher, the melting point of GaAs, to form a melt while applying a temperature gradient using a PID-controlled heater so that the temperature on the seed crystal side was lowered so as not to melt the GaAs seed crystal. Thereafter, the temperature near the seed crystal was raised so that the upper part of the seed crystal melted, and then the temperature in the entire furnace was lowered at a rate of 0.5°C/h or less by controlling the heater while applying a temperature gradient, thereby growing an n-type GaAs ingot with Si as a dopant.
When the ingot had grown to the point where the cone part had grown to the crystal body part, the stirring blade was inserted into the sealant so that the distance between the interface between the sealant (boron oxide) and the raw material melt and the lower end of the stirring blade was 1 mm or less, and the lower end did not come into contact with the interface. The stirring blade rotation speed was kept at 0 rpm until the ingot had grown to the middle, and then rotated at 0.5 rpm from the middle to the tail, and stirring was continued until the tail had grown.
The resulting GaAs ingot has n-type conductivity.
<評価>
成長させたGaAsインゴットの直胴部をワイヤーソーでスライスしてウエハ状にした。ウエハサイズは4インチ相当である。直胴部の長さは、直胴部から得られた全ウエハ枚数が297枚して、各ウエハの直胴シードからの位置を計算した。表1に示す直胴部シードからの位置から切り出したウエハに対して上述した方法でキャリア濃度を測定した。また、表1に示す直胴シードからの位置から切り出したウエハに対して、上述した方法で、EPDの平均値及び最大値を測定した。
また、表1に記載された測定したウエハ位置(1枚目から287枚目)であるシード側からテイル側までのキャリア濃度とEPDについて、各測定値間はそれぞれの測定値を直線で結んだ中間値をとるものとして算出することにより、GaAsインゴットから切り出される全ウエハ枚数(297枚)に対して、シード側からテイル側までの測定範囲のウエハのキャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1200cm-2以下である割合(所定の条件を満たすウエハの割合)を算出したものを表1に示す。所定の条件を満たすウエハの割合の算出においては、測定対象のウエハのうち最もテイル側のウエハよりも外側、さらに直胴シードからの位置が100%に近い側に位置するウエハは、所定の条件を満たさないものとした。
<Evaluation>
The straight body of the grown GaAs ingot was sliced with a wire saw into wafers. The wafer size was equivalent to 4 inches. The length of the straight body was calculated based on the total number of wafers obtained from the straight body, which was 297, and the position of each wafer from the straight body seed was calculated. The carrier concentration was measured by the method described above for the wafers cut from the positions from the straight body seed shown in Table 1. In addition, the average and maximum EPDs were measured by the method described above for the wafers cut from the positions from the straight body seed shown in Table 1.
Furthermore, for the carrier concentration and EPD from the seed side to the tail side, which are the measured wafer positions (1st to 287th) listed in Table 1, the intermediate values between each measured value were calculated by connecting each measured value with a straight line, and the percentage of wafers in the measurement range from the seed side to the tail side having a carrier concentration of 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and a maximum etch pit density of 1200 cm -2 or less (the percentage of wafers satisfying the specified conditions) was calculated relative to the total number of wafers (297 wafers) cut out from the GaAs ingot, and is shown in Table 1. In calculating the percentage of wafers satisfying the specified conditions, wafers located outside the wafer furthest from the tail side and closer to 100% from the straight body seed were deemed not to satisfy the specified conditions.
(結晶番号2~3)
表1に示す条件に変更したほかは、結晶番号1と同様にして、結晶番号2~3のGaAsインゴットを製造し、評価を行った。得られたGaAsインゴットは、導電型としてはn型である。
(Crystal No. 2-3)
GaAs ingots of
(結晶番号4)
GaAs種結晶、GaAs原料1及び高純度Siのショットを充填した後、その上に石英板(直径51mm、厚さ5mmの円板形状)を配置し、次いで封止剤1を充填したこと以外は、結晶番号1と同様にして、結晶番号4のGaAsインゴットを製造し、評価を行った。得られたGaAsインゴットは、導電型としてはn型である。
(Crystal No. 4)
A GaAs ingot of
表1は直胴部の直径が140mm以下のGaAsインゴットであり、結晶番号2及び3は、表1のシード側からテイル側までの測定範囲のウエハは、全ウエハ枚数(297枚)のうち96.6%が、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1200cm-2以下の条件を満たしていた。
結晶番号1は、Siドープをしていない高純度GaAs多結晶原料を使用してGaAsインゴットを成長させた例であるが、上記の条件を満たすウエハの割合は60.9%にとどまった。
また、結晶番号4は、石英板を用いてGaAsインゴットを作製した例であり、特許文献1に対応する。この例では、石英板が攪拌によるSi濃度上昇抑制の効果を低下させるために中央部以降でのキャリア濃度の上昇を抑えることができず、上記の条件を満たすウエハの割合は67.6%にとどまった。
結晶番号1及び4は、測定対象のウエハのうち最もテイル側のウエハよりも直胴シードからの位置が100%に近い側に位置するウエハが所定の条件を満たすとしても、条件を満たすウエハの割合は70%未満である。
Table 1 shows GaAs ingots with a diameter of the straight body of 140 mm or less, and for
Crystal No. 1 is an example in which a GaAs ingot was grown using a high-purity GaAs polycrystalline raw material that was not doped with Si, but the percentage of wafers that satisfied the above conditions was only 60.9%.
Crystal No. 4 is an example in which a GaAs ingot was produced using a quartz plate, and corresponds to Patent
For
(結晶番号5)
<ルツボへの原料の充填>
ルツボとして内径159.9mm、シード部の内径6.0~6.5mmのPBN製のルツボを準備した。ルツボには、20000gのGaAs原料1と(100)面が結晶成長面となるように切り出したGaAs種結晶を充填した。GaAs種結晶の直径については、各ルツボのシード部内径より約0.5mm小さくなるように機械研削とエッチングを組み合わせて調整した大きさのものを用いた。GaAs多結晶を充填する途中で、ドーパント(Si原料)として高純度SiのショットをGaAsに対し210wtppm充填した。Si以外に、意図して添加した不純物元素はない。
(Crystal No. 5)
<Filling the crucible with raw materials>
A PBN crucible with an inner diameter of 159.9 mm and an inner diameter of 6.0 to 6.5 mm was prepared as the crucible. The crucible was filled with 20,000 g of GaAs
<結晶成長>
これらの原料を充填した後、封止剤2を965±10g充填した。充填後のルツボをルツボ収納容器(サセプタ)にセットした。図3に示す製造装置の内部を真空排気及びArガス置換を繰り返して不活性ガス雰囲気とした後、VGF法により単結晶を成長させた。
結晶成長工程では、まずGaAs種結晶が融解しないように、種結晶側の温度が低くなるようにPID制御されたヒーターにより温度傾斜をかけながらルツボ内の原料をGaAsの融点の1238℃以上まで昇温させて融液とした。その後、種結晶の上部が融解するように種結晶付近の温度を上昇させた後、温度傾斜をかけながら炉内全体の温度をヒーター制御により0.5℃/h以下の速度で降温していくことでSiをドーパントとしたn型のGaAsインゴットを成長させた。
コーン部が結晶成長して結晶直胴部に至る箇所までインゴットが成長した時点で、攪拌翼を封止剤内に入れ、封止剤である酸化ホウ素と原料融液との界面と、攪拌翼の下端との距離が1mm以下で、かつ界面には下端が接触しないようにした。攪拌翼20の回転速度は、回転数0rpmのままで中間まで成長し、中間からテイルにかけて0.5rpmで回転させ、テイルの成長完了まで攪拌を継続した。
得られたGaAsインゴットは、導電型としてはn型である。
<Crystal Growth>
After these raw materials were filled, 965±10 g of sealant 2 was filled. The filled crucible was set in a crucible storage container (susceptor). The inside of the manufacturing apparatus shown in FIG. 3 was repeatedly evacuated and replaced with Ar gas to create an inert gas atmosphere, and then a single crystal was grown by the VGF method.
In the crystal growth process, the raw material in the crucible was first heated to 1238°C or higher, the melting point of GaAs, to form a melt while applying a temperature gradient using a PID-controlled heater so that the temperature on the seed crystal side was lowered so as not to melt the GaAs seed crystal. After that, the temperature near the seed crystal was raised so that the upper part of the seed crystal melted, and then the temperature in the entire furnace was lowered at a rate of 0.5°C/h or less by controlling the heater while applying a temperature gradient, thereby growing an n-type GaAs ingot with Si as a dopant.
When the ingot had grown to the point where the cone part had grown to the crystal body part, the stirring blade was inserted into the sealant so that the distance between the interface between the boron oxide sealant and the raw material melt and the lower end of the stirring blade was 1 mm or less, and the lower end did not come into contact with the interface. The rotation speed of the
The resulting GaAs ingot has n-type conductivity.
<評価>
成長させたGaAsインゴットの直胴部をワイヤーソーでスライスしてウエハ状にした。ウエハサイズは6インチ相当である。直胴部の長さは、直胴部から得られた全ウエハ枚数を161枚として、各ウエハの直胴シードからの位置を計算した。最後の切断面は、インゴットの種結晶側と反対の端から(シード側方向に)20mmの位置である。表2に示す直胴シードからの位置から切り出したウエハに対して上述した方法でキャリア濃度を測定した。また、表2に示す直胴シードからの位置から切り出したウエハに対して、上述した方法で、EPDの平均値及び最大値を測定した。
また、表2に記載された測定したウエハ位置(2枚目から148枚目)であるシード側からテイル側までのキャリア濃度とEPDについて、各測定値間はそれぞれの測定値を直線で結んだ中間値をとるものとして算出することにより、GaAsインゴットから切り出される全ウエハ枚数(161枚)に対して、シード側からテイル側までの測定範囲のウエハのキャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1500cm-2以下である割合(所定の条件を満たすウエハの割合)を表2に示す。所定の条件を満たすウエハの割合の算出においては、測定対象のウエハの外側に位置するウエハは、所定の条件を満たさないものとした。
<Evaluation>
The straight body of the grown GaAs ingot was sliced with a wire saw into a wafer shape. The wafer size was equivalent to 6 inches. The length of the straight body was calculated by assuming that the total number of wafers obtained from the straight body was 161, and the position of each wafer from the straight body seed was calculated. The final cut surface was located 20 mm from the end of the ingot opposite to the seed crystal side (towards the seed side). The carrier concentration was measured by the above-mentioned method for the wafers cut from the positions from the straight body seed shown in Table 2. In addition, the average and maximum EPDs were measured by the above-mentioned method for the wafers cut from the positions from the straight body seed shown in Table 2.
Furthermore, by calculating the carrier concentration and EPD from the seed side to the tail side, which are the measured wafer positions (2nd to 148th) listed in Table 2, assuming that the intermediate value between each measured value is taken as a straight line connecting each measured value, the percentage of wafers in the measurement range from the seed side to the tail side having a carrier concentration of 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and a maximum etch pit density of 1500 cm -2 or less (the percentage of wafers satisfying the specified conditions) out of the total number of wafers (161 wafers) cut out from the GaAs ingot is shown in Table 2. In calculating the percentage of wafers satisfying the specified conditions, wafers located outside the wafers to be measured were considered not to satisfy the specified conditions.
(結晶番号6)
表2に示す条件に変更したほかは、結晶番号5と同様にして、結晶番号6のGaAsインゴットを製造し、評価を行った。得られたGaAsインゴットは、導電型としてはn型である。
(Crystal No. 6)
A GaAs ingot of Crystal No. 6 was produced and evaluated in the same manner as for Crystal No. 5, except that the conditions were changed as shown in Table 2. The resulting GaAs ingot had an n-type conductivity.
(結晶番号7)
表2に示すようにGaAs原料4(Si濃度175wtppm)を使用すると共に、攪拌翼の回転速度は、回転数0rpmのままで中間まで成長し、中間からテイルにかけて2.5rpmで回転させた以外は、結晶番号6と同様にして、結晶番号7のGaAsインゴットを製造し、評価を行った。得られたGaAsインゴットは、導電型としてはn型である。
(Crystal No. 7)
A GaAs ingot of crystal number 7 was produced and evaluated in the same manner as
表2は直胴部の直径が140mm超のGaAsインゴットであり、結晶番号6は、直胴部のから得られるシード側からテイル側までの測定範囲のウエハは、全ウエハ枚数(161枚)のうち79.1%が、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1500cm-2以下の条件を満たしていた。
結晶番号7は、直胴部のから得られるシード側からテイル側までの測定範囲のウエハは、全ウエハ枚数(161枚)のうち77.1%が、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつエッチピット密度の最大値が1500cm-2以下の条件を満たしていた。
一方、結晶番号5は、Siドープをしていない高純度GaAs多結晶原料を使用してGaAsインゴットを成長させた例であるが、上記の条件を満たすウエハの割合は37.7%にとどまった。
結晶番号5は、測定対象のウエハの外側に位置するウエハが所定の条件を満たすとしても、条件を満たすウエハの割合は70%未満である。
Table 2 shows GaAs ingots with a straight body diameter of more than 140 mm. For
For crystal number 7, 77.1% of the total number of wafers (161) in the measurement range from the seed side to the tail side obtained from the straight body portion had a carrier concentration of 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and satisfied the condition that the maximum etch pit density was 1,500 cm -2 or less.
On the other hand, crystal No. 5 is an example in which a GaAs ingot was grown using high-purity GaAs polycrystalline raw material that was not doped with Si, but the proportion of wafers that satisfied the above conditions was only 37.7%.
In the case of
本発明によれば、キャリア濃度が厳密に制御され、かつ低転位密度であるGaAsウエハを効率よく得られるGaAsインゴット及びその製造方法を提供することができ、産業上の有用性が高い。 The present invention provides a GaAs ingot and a manufacturing method thereof that can efficiently produce GaAs wafers with a strictly controlled carrier concentration and low dislocation density, and is highly useful in industry.
1 ヒーター
2 ルツボ収納容器(サセプタ)
3 ルツボ
4 酸化ホウ素
5 化合物半導体原料(原料融液)
6 種結晶
7 気密容器
8 不活性ガス
9 GaAs多結晶原料
10 Si原料
14 ルツボの昇降・回転機構
15 コーン部から直胴部に変わる位置
16 位置15と位置17の半分の位置(中間)
17 直胴部が終わる位置
18 GaAsインゴットの直胴部
19 GaAsインゴットのコーン部
20 攪拌翼
21 上部ロッド
30 6インチウエハ
31 エリア
1 Heater 2 Crucible storage container (susceptor)
3
6: seed crystal 7: airtight container 8: inert gas 9: GaAs polycrystalline raw material 10: Si raw material 14: crucible lifting and rotating mechanism 15: position where the cone portion changes to the body portion 16: halfway between
17 Position where the straight body portion ends 18 Straight body portion of
Claims (3)
前記GaAs原料は、Si濃度がGaAsに対して20~200wtppmであるSiドープGaAsであり、
前記Si原料のチャージ量がGaAsに対して200~300wtppmであり、
前記酸化ホウ素が、Si換算で5mol%超のSiO2を含み、
前記Si原料、前記GaAs原料及び前記酸化ホウ素を加熱により溶融した後、液状の酸化ホウ素を攪拌しながら結晶成長を行う、GaAsインゴットの製造方法。 A method for producing a GaAs ingot, comprising: placing a seed crystal, a silicon source material as a dopant, a GaAs source material, and boron oxide as a sealant in a crucible and growing the crystal by a vertical boat method;
The GaAs raw material is Si-doped GaAs having a Si concentration of 20 to 200 wtppm relative to GaAs,
The charge amount of the Si raw material is 200 to 300 wtppm relative to GaAs,
The boron oxide contains more than 5 mol% SiO 2 calculated as Si,
the Si raw material, the GaAs raw material, and the boron oxide are melted by heating, and then crystal growth is carried out while stirring the liquid boron oxide.
直胴部の直径が140mm超のGaAsインゴットの製造方法であって、前記Si原料のチャージ量がGaAsに対して200~250wtppmであり、前記GaAs原料中のSiと前記Si原料とを合計した、シリコンチャージ合計量がGaAsに対して250wtppm超となる、請求項1に記載のGaAsインゴットの製造方法。 A method for producing a GaAs ingot having a diameter of 140 mm or less, the method comprising the steps of: a total silicon charge amount, which is the sum of the Si in the GaAs raw material and the Si raw material, exceeds 300 wtppm relative to GaAs;
2. A method for producing a GaAs ingot having a diameter of a straight body portion exceeding 140 mm, comprising the steps of: a charge amount of the Si raw material is 200 to 250 wtppm relative to GaAs; and a total silicon charge amount, which is the sum of the Si in the GaAs raw material and the Si raw material, exceeds 250 wtppm relative to GaAs.
直胴部の直径が140mm超のSiドープGaAsインゴットであって、前記直胴部の70%以上から得られるウエハが、キャリア濃度が1.5×1018~2.9×1018cm-3であり、かつ、エッチピット密度の最大値が1500cm-2以下である、SiドープGaAsインゴット。 A 4-inch Si-doped GaAs ingot, in which 4-inch wafers obtained from 70% or more of the straight body have a carrier concentration of 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and a maximum etch pit density of 1200 cm -2 or less, or a Si-doped GaAs ingot with a straight body diameter of more than 140 mm, in which wafers obtained from 70% or more of the straight body have a carrier concentration of 1.5×10 18 to 2.9×10 18 cm -3 and a maximum etch pit density of 1500 cm -2 or less.
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