JP2024511114A - 垂直勾配凍結２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素基板のための方法およびシステム - Google Patents
垂直勾配凍結２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素基板のための方法およびシステム Download PDFInfo
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Abstract
垂直勾配凍結２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板のための方法およびウェーハ。開示される例では、ケイ素をドーパントとして有するガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板を形成するための垂直勾配凍結システムであって、このシステムは、形成プロセス中にＧａＡｓ融液および種材料を含むためのるつぼと、複数の加熱帯に配置される１つまたは複数の加熱コイルと、るつぼに対して移動する軸受台とを含み、システムは、単結晶ＧａＡｓ基板を形成するために複数の加熱帯の加熱および軸受台の移動を制御するように動作可能である。
Description
関連出願に対する相互参照／参照による組み込み
[0001]本出願は、参照により全体が本明細書に組み込まれる、２０２１年３月２２日に出願された米国仮特許出願第６３／１６４，３７８号に対する優先権およびその利益を主張するものである。
[0001]本出願は、参照により全体が本明細書に組み込まれる、２０２１年３月２２日に出願された米国仮特許出願第６３／１６４，３７８号に対する優先権およびその利益を主張するものである。
[0002]本開示の特定の実施形態は、半導体基板に関する。より詳しくは、本開示の特定の実施形態は、垂直勾配凍結２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板のための方法およびシステムに関する。
[0003]半導体基板、特にＩＩＩ－Ｖ族半導体基板は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、ｐｓｅｕｄｏ－ｍｏｒｐｈｉｃ ｈｉｇｈ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ｐＨＥＭＴ）などの電子素子および光電子素子の製造において使用される。基板における欠陥は、歩留まりを下げ、コストを増加させ得る。
[0004]そのようなシステムを、図面を参照した本願の以下の部分において記載されるような本開示と比較することによって、従来のアプローチや通常のアプローチのさらなる制約および欠点は当業者にとって明らかとなるであろう。
[0005]図のうちの少なくとも１つと関連して実質的に図示および／または説明されるような垂直勾配凍結２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板のためのシステムおよび／または方法は、請求項においてより完全に記載される。
[0006]本開示の様々な利点、態様および新規の特徴とともに、その例示される実施形態の詳細は、以下の説明および図面からより十分に理解されるであろう。
[0014]本開示の特定の態様は、垂直勾配凍結２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板のための方法およびシステムに見出され得る。
[0015]図１は、本開示の例示的な実施形態による、垂直勾配凍結反応器を図示する図である。図１を参照すると、アンプル１１０、加熱コイル１２０、るつぼ１３０、および軸受台１４０を備える垂直勾配凍結（ＶＧＦ）システム１００が示される。アンプル１１０内で、垂直構成において種結晶１０１および融液１０５を使用して、成長が進行可能であり、三酸化ホウ素Ｂ２Ｏ３層を融液１０５上の封止材料とした融液１０５の非常にゆるやかな冷却に起因して、固体１０３が発生する。るつぼ１３０は、例えば熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）を含んでもよく、処理中の融体および種材を含有し得る。
[0016]ＶＧＦシステム１００は、成長チャージ、加熱装置、絶縁、および軸受台１４０のための構成を備えており、加熱コイル１２０から結晶成長チャージにおける円錐、すなわち種１０１の高さより上への直接放射を含み、加熱コイル１２０におけるアンプル１１０の支持のための軸受台１４０も備え得る。さらに、絶縁は、成長中の内向きの放射状熱流束と、成長後プロセスおよび冷却中の熱除去とを促進するために、軸受台１４０内に配置され得る。成長アンプル１１０のための軸受台１４０は、中心を通る下向きの導電熱流路を提供するために、種結晶１０１を保持する種ポケットの下方に中空コアを備え得、加熱装置の底部までの石英ロッドの直径が大きいほど、さらに促進され、より安定した状態となる。軸受台１４０は、成長プロセスを促進するために垂直方向に移動するように動作可能でもよく、または固定高さのままであってもよい。加えて、軸受台１４０は、加熱中のさらなる熱均一性を実現するために回転し得る。
[0017]ＶＧＦプロセスにおいて、アンプル１１０のるつぼ１３０における多結晶チャージである種１０１は、加熱コイル１２０によって示されるような多帯炉を用いて加熱され得る。例示的なシナリオでは、Ｂ２Ｏ３封止材料１０７は、より高い蒸気圧による結晶成長材料、特にヒ素の損失を低減するために、融体の上部上に配置され得る。結晶成長は種１０１へのチャージを融解することによって開始され、それにより、融体１０５を発生させ、種１０１における融体１０５を冷却する温度をゆっくりと低下させる。固体１０３を発生させる結晶化プロセスは、加熱コイル１２０の異なる部分に対して異なる電流を印加する、および／または軸受台１４０を垂直に移動するなど、炉の異なる帯において温度勾配を変化させることによって高精度に制御され得る。加えて、軸受台１４０は、加熱コイル１２０内のあらゆる熱的変動を平均するために、加熱および冷却中に回転し得る。それに応じて、加熱コイル１２０は、異なる温度、加熱速度／冷却速度、および空間温度プロファイルが可能である多帯加熱システムを備えてもよい。
[0018]ＶＧＦプロセスは、液体封止チョクラルスキー（ＬＥＣ）および水平ブリッジマン（ＨＢ）などの他のプロセスを上回るいくつかの利点を有する。第１に、結晶および融体の熱環境は放射状に対称的であり、半径方向で均一な界面および温度プロファイルの高精度の制御を可能とする。第２に、るつぼによって課された直径制御と組み合わせた低軸上温度勾配および放射状温度勾配における成長と、結晶を高速で凍結させるために大きい温度勾配を使用する必要がないこととは、結晶における、歪と、したがって転位とを顕著に減少させる。第３に、液固界面が融体を通って上向きに進行し、るつぼ１３０の底部の種１０１で結晶化が開始する。システム１００は底部においてより低温でもよく、対流に対して熱的に安定化され得る。冷却プロセスにおいても、容易に調節可能な冷却は、結晶上での歪を最小限にする速度で結晶を室温とする。
[0019]結晶成長前に、ＧａＡｓ多結晶体は、複統合によって事前に作製され得る。この複統合プロセスは、例えばボート法を使用して石英反応管において実行され得る。多結晶ＧａＡｓが生成されると、ＶＧＦ結晶成長が進行し得る。低エッチピット密度（ＥＰＤ）を実現するため、いくつかのＶＧＦパラメータが注意深く制御され得る。第１のパラメータは、融体に対して窪んでいるように、例えば、中心が２００ｍｍ（８インチ）の直径の結晶の縁部よりも５～２０ｍｍ低い５～２０ｍｍの窪みとなるように制御され得る融体／結晶界面１０９の形状を含み得る。これは、異なる時間的および／または空間的温度プロファイルを用いて制御され得る。
[0020]第２に、冷却速度によって制御される場合の結晶化速度は、０．１～１．０度Ｃ／時の範囲となるように構成され得る。インゴットの異なる部分において異なる凝固速度が構成され得る。成長している結晶に沿った温度勾配は、ボウルにおいて応力を発生させ、先端部は早期に冷え、場合によっては、先端部は、末端部よりも１００度以下だけ低温となり得るため、高精度な制御が望ましい。
[0021]最後に、融体／結晶界面における温度勾配は、１～１０度Ｃ／ｃｍとなるように構成され得る。この場合も、多帯加熱によって、るつぼ１３０全体において温度の高精度な制御が可能となり得る。全体的な凝固の完了後、加熱温度は、異なる加熱帯において、それぞれ、約０．５～５度Ｃ／時、１～２０度Ｃ／時、および５～２０度Ｃ／時の速度で室温まで下げられ得る。このプロセスの結果として、円筒体部分を有する、少なくとも長さ約９０ｍｍの低転位２００ｍｍ（８インチ）直径のＧａＡｓ単結晶が得られる。ここで説明するウェーハは、ｎ型ドープであるが、ｐ型および反絶縁ウェーハもまた上記プロセスによって可能である。このプロセスは２００ｍｍ（８インチ）直径のインゴットについて説明しているが、同じプロセスが他の直径（例えば、２００ｍｍ（８インチ）よりも小さい、またはそれよりも大きい直径）についても、異なる炉のサイズを用いて使用し得る。このプロセスの結果として生じる転位密度は、図３Ａ～図３Ｄに示すように、１０００ｃｍ－２未満、５００ｃｍ－２未満、２００ｃｍ－２未満、１００ｃｍ－２未満、さらに３０ｃｍ－２未満である。
[0022]図１に示す炉の設計において、軸受台１４０のために特定の材料組み合わせが選択されてもよく、それによって結晶アンプル１１０は、所望の成長位置に結晶を作るために、成長のための要件に応じて炉における位置を調節できる。軸受台は垂直に移動し得、それにより、垂直ブリッジマン（ＶＢ）法による結晶の成長を可能にし、また、ＶＧＦシステム１００における熱均一性を改善するように回転し得る。軸受台１４０および加熱コイル１２０は、縦方向に沿った高品質結晶の成長を可能にする。一例では、結晶装填重量は、２０ｋｇよりも大きい場合があり、実効２００ｍｍ（８インチ）結晶長さは、９０ｍｍ以上の場合がある。この炉のレイアウトは、アンプル１１０内部の適切な圧力を維持するために、成長および冷却中の伝熱および温度勾配を正確に構成するＶＧＦプロセスを可能にする
[0023]ここで開示されるＶＧＦプロセスは、成長中に維持され得る低温度勾配に起因する低欠陥密度の結晶を可能にする。ただし、低勾配の場合でも、成長プロセス全体を通した継続的な結晶成長を維持するために特定の温度勾配が固液界面１０９において必要とされ、溶融温度は、アンプル１１０内での高圧力をもたらす程度に高くてもよい。これらのより高い圧力は、インゴットの直径が増加するにつれて好ましくなくなる場合があり、アンプル１１０自体の変形を引き起こし、それによって結果として化学量論からの潜在的な偏差、ならびに結晶、るつぼおよび／またはアンプルの破損をもたらし得る。これらの問題を避けるため、アンプル１１０／るつぼ１３０の側部および上部からの熱入力を用いた、多帯加熱構成が利用され得、例示的な加熱帯を図１に破線で示す。このようにして、高品質の単結晶成長のために適切な温度勾配が成長界面１０９で維持され得るが、依然として、アンプル変形およびその結果生じる問題を低減および／または無くす程度に低い溶融温度を維持する。加えて、軸受台１４０は、効果的な軸方向伝熱を可能にし、それにより、より大きい直径での単結晶成長を容易にする。
[0023]ここで開示されるＶＧＦプロセスは、成長中に維持され得る低温度勾配に起因する低欠陥密度の結晶を可能にする。ただし、低勾配の場合でも、成長プロセス全体を通した継続的な結晶成長を維持するために特定の温度勾配が固液界面１０９において必要とされ、溶融温度は、アンプル１１０内での高圧力をもたらす程度に高くてもよい。これらのより高い圧力は、インゴットの直径が増加するにつれて好ましくなくなる場合があり、アンプル１１０自体の変形を引き起こし、それによって結果として化学量論からの潜在的な偏差、ならびに結晶、るつぼおよび／またはアンプルの破損をもたらし得る。これらの問題を避けるため、アンプル１１０／るつぼ１３０の側部および上部からの熱入力を用いた、多帯加熱構成が利用され得、例示的な加熱帯を図１に破線で示す。このようにして、高品質の単結晶成長のために適切な温度勾配が成長界面１０９で維持され得るが、依然として、アンプル変形およびその結果生じる問題を低減および／または無くす程度に低い溶融温度を維持する。加えて、軸受台１４０は、効果的な軸方向伝熱を可能にし、それにより、より大きい直径での単結晶成長を容易にする。
[0024]図２は、本開示の例示的な実施形態による、２００ｍｍ（８インチ）ＧａＡｓインゴットおよびそのインゴットの先端面および末端面を示す図である。上の画像を参照すると、２００ｍｍ（８インチ）ＧａＡｓインゴットまたはブールは、９０ｍｍより大きい長さを有して示されており、一方、下の画像は、それぞれ、インゴットの未研磨の先端面および末端面を示しており、直径の不均一性、ならびにその長さのインゴットの場合の双晶境界または結晶粒界などの巨視的欠陥を示している。軸受台１４０の垂直移動がある場合、炉の設計は「ＶＢ様」となり得、低ＥＰＤを伴うより長い結晶が可能となり、移動とＶＢ様構成によっても、結晶は、成長中の温度プロファイル、勾配、およびランプ速度の適切な設計によってより低いＥＰＤを有し得る。
[0025]軸受台１４０は、垂直方向において上下に移動し得る。最初に、アンプルが設置されると、加熱帯におけるアンプルの位置は任意のタイミングで調節され得、それによって結晶が最良の温度場位置にある。したがって、このＶＧＦ＋ＶＢの組み合わせ方法は、より長い結晶の成長を可能にする。静止したるつぼ１３０／アンプル１１０と比較すると、このアプローチは必ずしもより高いＥＰＤにつながらない。このＶＢ＋ＶＧＦは、高品質、低転位、大きいサイズのＧａＡｓ結晶を成長させるための優れた方法を提供する。
[0026]図３Ａ～図３Ｄは、本開示の実施形態にしたがって製造された２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素ウェーハについてのエッチピット密度結果を示す図である。ＥＰＤ測定は、ＳＥＭＩ Ｍ３６－０６９９およびＡＳＴＭ試験方法Ｆ１４０－９２にしたがって行われ得る。図３Ａは、第１の２００ｍｍ（８インチ）インゴットからの先端および末端ウェーハについてのＥＰＤ結果を示し、ＥＰＤレベルは測定時で６９点（各点は０．０２４ｃｍ２の面積を有する）であり、結果は、結晶種（先端部）および末端部についてのものである。このインゴットについて、ウェーハは、平均ＥＰＤとして、インゴットの先端部で１２８８ｃｍ－２、末端部で７１ｃｍ－２を示している。これは、既存のＧａＡｓ基板を超える顕著な改善である。
[0027]図３Ｂは、第２のインゴットからの先端および末端ウェーハについてのＥＰＤ結果を示しており、先端部において２８９ｃｍ－２のＥＰＤ、および末端部において１００ｃｍ－２のＥＰＤであり、非常に高品質の２００ｍｍ（８インチ）ＧａＡｓ基板を示している。図３Ｂのウェーハについてのホール測定は、結果として、先端部において３×１０１７ｃｍ－３から末端部において４×１０１８ｃｍ－３の範囲のキャリア濃度となり、比抵抗は、先端部において５×１０－３Ω－ｃｍから末端部において２×１０－３Ω－ｃｍの範囲となった。最後に、ホール移動度は、先端部において３０００ｃｍ２／Ｖ秒から末端部において２０００ｃｍ２／Ｖ秒の範囲であった。
[0028]図３Ｃは、末端ウェーハ（第３のブールのＮｏ．４７）についてのＥＰＤ結果を示しており、平均ＥＰＤは２８ｃｍ－２で、最大ＥＰＤは２５０ｃｍ－２である。このブールの非接触電気測定は、先端部において６×１０１７ｃｍ－３から末端部において１．８×１０１８ｃｍ－３の範囲のキャリア濃度で、比抵抗は、先端部において３．４×１０－３Ω－ｃｍから末端部において１．７×１０－３Ω－ｃｍの範囲であった。最後に、ホール移動度は、先端部において２６００ｃｍ２／Ｖ秒から末端部において２０００ｃｍ２／Ｖ秒の範囲であった。
[0029]図３Ｄは、図３Ｃ（第３のブールのＮｏ．４７）のウェーハのｎＳｐｅｃ測定ツールからのＥＰＤ分布および画像を示しており、ＥＰＤは１１２ｃｍ－２で、零ＥＰＤを有するウェーハの割合は、約５０％であり、＜１０００ｃｍ－２の面積の割合は９７％であった。図３Ｄの右側の画像は、ウェーハの光学画像を示す。ｎＳｐｅｃツールは、６９点測定である図３ＣのＥＰＤ分布とは対照的に、ウェーハの全面を測定する。
[0030]図４Ａ～図４Ｆは、本開示の例示的な実施形態による、２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素基板の光ルミネセンス測定を示す図である。図４Ａ～図４Ｆを参照すると、２００ｍｍ（８インチ）直径ＧａＡｓブールに沿った異なるウェーハについての発光強度分布が示されており、そのブールのウェーハ１、３０、３５、４０、４５、および４７についての結果を示している。
[0031]ブールの最初の約１０のウェーハにおいて、より高い強度の信号が、ウェーハ周囲の３：００、６：００、９：００、および１２：００の位置に沿って配置された４つの領域で明らかである。この強度の増加は、ブールの先端部におけるそれらの領域での転位に関係し得る。強度変動の標準偏差は先端部において約２０％であるが、ウェーハを越えると約１５～２０％であり、強度変動は約４％に減少にされる。
[0032]図５Ａ～図５Ｆは、本開示の例示的な実施形態による、２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素基板の比抵抗分布を示す図である。ｍΩ－ｃｍの比抵抗を有する分布において高い値および低い値が含まれ、各ウェーハ標準偏差にわたる比抵抗変動は、各分布の下に示されている。
[0033]図５Ａ～図５Ｃは、ブールからの３つの２００ｍｍ（８インチ）ＧａＡｓウェーハについての比抵抗プロットを示しており、それらのプロットは、図４Ａ～図４Ｊの発光強度結果に類似して、先端ウェーハについて、ウェーハ周囲の３：００、６：００、９：００、および１２：００位置でより高い比抵抗を示している。発光強度のように、比抵抗変動は、ブールの末端部に向かって減少し、ウェーハ５において１２％変動または３．４～６．５ｍΩ－ｃｍ、ウェーハ７０において３％変動または２．１～２．５ｍΩ－ｃｍを有する。
[0034]図５Ｄ～図５Ｆは、別のブールからの３つの２００ｍｍ（８インチ）ウェーハについての比抵抗を示しており、この場合も、比抵抗変動が、ブールの末端により近いウェーハについて減少している。先端部において２．７～３．７ｍΩ－ｃｍ、および末端部において１．７～１．９ｍΩ－ｃｍの範囲の分布において高い値および低い値が示されており、ウェーハ１についての９％からウェーハ４７についての３．６％の範囲で、各々が下に示されている変動標準偏差に対応する。
[0035]図６は、図１に示す垂直勾配凍結炉１００を使用してＧａＡｓウェーハを作製するための方法を図示する図である。このプロセスによって、結果的に、１０００ｃｍ－２未満、５００ｃｍ－２未満、１００ｃｍ－２未満、および３０ｃｍ－２未満のエッチピット密度という平均エッチピット密度を伴う２００ｍｍ（８インチ）ＧａＡｓ基板が得られる。このプロセスは、さらに、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、または他の関連のＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を作製するために使用され得る。
[0036]ステップ６０１で、原料ヒ素（Ａｓ）、ガリウム（Ｇａ）およびドーパントが得られることができ、ドープまたは非ドープの多結晶ＧａＡｓを生成するために、複統合のための石英管におけるボートに配置される前に、その原料に対して試験が実行され得る。いくつかの例では、ドーパントは、ケイ素である。いくつかの例では、ドーパントは、１つまたは複数の種類のドーパントを含む。いくつかの例では、ドーパントは任意選択的である。次いで、種結晶、適切な量のＢ２Ｏ３封止材料、適切な量のドーパントとともに、るつぼにおける複統合によって事前に作製された多結晶ＧａＡｓを配置し、真空化し、融解石英アンプルの内部にるつぼを封止することによってチャージが調製される。
[0037]ＧａＡｓチャージが生成されると、ステップ６０３において垂直勾配凍結（ＶＧＦ）結晶成長が発生し、るつぼを備えるアンプルが制御されるやり方で多帯加熱システム内において加熱されて、種結晶の一部分が溶解されるまで、任意のドーパントを含有する多結晶チャージ材料を上から下へ徐々に溶解する。多帯加熱装置の制御された冷却を実施することによって、部分的に融解された種からの成長が開始され得る。時間的および空間的温度プロファイルは、低ＥＰＤの２００ｍｍ（８インチ）以上の直径の結晶をもたらすように厳密に制御される。
[0038]低ＥＰＤを実現するため、いくつかのＶＧＦパラメータが注意深く制御される。第１のパラメータは、融体に対して窪んでいるように、例えば、中心が２００ｍｍ（８インチ）の直径の凝固結晶の縁部よりも５～１５ｍｍ低い５～１５ｍｍの窪みとなるように制御され得る融体／結晶界面の形状を含み得る。これは、異なる時間的および／または空間的温度プロファイルを用いて制御され得る。第２に、冷却速度によって制御されるときの結晶化速度は、インゴットの異なる部分について０．１～２度Ｃ／時の範囲になり、一方で融体－結晶界面においての１Ｃ／ｃｍと８Ｃ／ｃｍとの間の温度勾配を印加するように構成され得る。界面形状は、多帯加熱システムにおいて適切な冷却速度を使用することによって、融体に対してわずかに窪むように制御され得る。インゴットの異なる部分において異なる凝固速度が構成され得る。最後に、融体／結晶界面における温度勾配は、４～８度Ｃ／ｃｍとなるように構成され得る。チャージ材料の凝固の完了後に、第１の３００Ｃに対して異なる加熱帯について０．５～５Ｃ／ｈ、１～１０Ｃ／ｈ、および５～２０Ｃ／ｈ、その後室温まで２０～５０Ｃ／ｈの適切な冷却速度の制御された冷却を印加すると、結果として非常に低欠陥密度の結晶が得られる。
[0039]ステップ６０５でＶＧＦ結晶が成長すると（さらに、任意で試験が行われると）、インゴット成形プロセスが実行されてもよく、その結果として、例えば所望の平部を有する丸みを帯びたインゴットが得られ、さらに試験され得る。インゴットが成形されると、インゴットは、ステップ６０７でウェーハにスライスされ、それらのウェーハは、任意で試験され得る。
[0040]低ＥＰＤのウェーハがインゴットからスライスされると、それらのウェーハは、ウェーハ処理ステップ６０９に進んでもよい。任意のウェーハアニーリングプロセスが実行されてもよい。例示的なアニーリングプロセスにおいて、１つまたは複数のアニーリング段階が使用されてもよく、その場合、ウェーハは、水平な石英ボートに垂直に装填され、ヒ素塊とともに水平な石英アンプルに挿入されてもよい。ヒ素塊は、ＧａＡｓ基板からの何らかのヒ素解離を回避するために、アニーリング温度において必要な蒸気圧を実現するように構成され得る。次いで、アンプルは、高真空レベル（＜５Ｅ－３トル）まで加圧され、封止される。アンプルとその内容物は、その後、例えば水平３帯炉に挿入されてもよく、所望の設定（プラットフォーム）温度までのアンプルおよびその内容物の加熱が開始される。
[0041]構造的および電気的品質を確実にするために、そのウェーハに対して試験が行われてもよい。例示的なシナリオでは、構造的品質は、ｘ線特性化およびエッチピット密度測定によって評価され得、ｘ線透過測定は、すべり転位の存在を評価するために利用され得る。１０００ｃｍ－２未満、５００ｃｍ－２未満、２００ｃｍ－２未満、１００ｃｍ－２未満、さらには３０ｃｍ－２未満のエッチピット密度という平均転位エッチピット密度（ＥＰＤ）は、結果として、上述したプロセスを使用して、２００ｍｍ（８インチ）ＧａＡｓ基板をもたらし得る。構造的および電気的品質はまた、光ルミネセンス測定およびホール測定によって評価され得る。
[0042]低ＥＰＤウェーハのアニーリング、さらに任意で試験が行われると、低ＥＰＤウェーハを研磨するウェーハ研磨プロセスが実行されてもよく、研磨されたウェーハは任意で再度試験され得る。ウェーハが研磨されると、洗浄されてもよく、その後、ステップ６１１に進み、それらは顧客への出荷のために梱包され得る。上記のプロセスは、リン化インジウム（ＩｎＰ）または他の化合物半導体ウェーハを生成するためにも使用され得る。このプロセスの結果として、低ＥＰＤ２００ｍｍ（８インチ）ＧａＡｓウェーハが作製される。
[0043]図７は、本開示の例示的な実施形態による、低エッチピット密度の２００ｍｍ（８インチ）ガリウムヒ素ウェーハに作製された装置を示す図である。図７を参照すると、上述したプロセスを使用して製造され、さらにダイ７０３上の電気素子および／または光電子素子を用いて処理される２００ｍｍ（８インチ）のＧａＡｓウェーハ７０１が示される。さらに、例えば、結晶面を示すためにウェーハ作製中に形成され得る平部７０５が示される。別の例示的なシナリオにおいて、平部の代わりに、切り欠きが利用され得る。ウェーハ７０１上のダイ７０３の数は、各ダイの面積によって規定されることが可能であり、図７に示されるサイズは一例にすぎない。
[0044]加えて、ダイ７０３は、端面発光レーザー、垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、マイクロＬＥＤを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）、および光検出器などの光電子素子を含み得、いくつかのシナリオでは、ウェーハ７０１を介して光信号を伝送することが望ましい。例えば、検出器または面発光レーザーのアレイは、ウェーハ７０１上に形成されてもよく、光信号は、ウェーハ７０１を介して受信および／または送信されるが、読み出し回路または制御回路が、それらの装置上に配置されてもよい。
[0045]上述したプロセスは、例えば光電子用途のために、ケイ素ドープ基板などのドープ基板を作製するために利用され得る。例えばケイ素は、結晶成長中に取り込まれ得るが、他のドーパントも可能である。基板における転位は、上記で示したように、電流が欠陥のサイズを増加させることができ、欠陥が発光に影響し得るため、装置の信頼性を低下させる場合がある。マイクロＬＥＤなどのより小さい装置が基板上で作製される場合、欠陥は、装置のより大きい面積が、不利益なことに、ここで開示される低ＥＰＤ結晶の利点を示す性能に影響を及ぼすことを含み得る。
[0046]加えて、上記プロセスは、半絶縁または低ドープ基板を生成するためにも使用され得る。半絶縁ＧａＡｓ基板は、導電性基板が損失および寄生容量を引き起こし得る場合、基板の高比抵抗に起因して高速の電子装置を可能にする。例示的な装置は、ｐｓｅｕｄｏ－ｍｏｒｐｈｉｃ ｈｉｇｈ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ｐＨＥＭＴ）およびヘテロ接合バイポーラトランジスタを含む。
[0047]本開示の実施形態において、ケイ素ドーパント（および／または他の適したドーパント）による低エッチピット密度ガリウムヒ素結晶のためのウェーハは、１０００ｃｍ－２未満、５００ｃｍ－２未満、２００ｃｍ－２未満、１００ｃｍ－２未満、さらには３０ｃｍ－２未満のエッチピット密度を有するガリウムヒ素単結晶ウェーハを含み得る。ウェーハは、２００ｍｍ（８インチ）以上の直径を有し得る。このウェーハは、３×１０１７～４×１０１８ｃｍ－３の範囲のドーパント濃度を有し得る。ウェーハは、５００μｍ以上の厚さを有し得る。光ルミネセンス測定は、結果として、５％未満のピーク強度標準偏差をもたらし得る。
[0048]本開示の他の実施形態では、低エッチピット密度ガリウムヒ素結晶のための方法は、多結晶ガリウムヒ素種結晶と、Ｂ２Ｏ３封止材料と、炭素を含むチャージ原料をるつぼに封止するステップと、るつぼを石英アンプルに封止するステップと、種結晶の一部分が融解するまでチャージ原料を徐々に融解するために多帯加熱システムを使用してアンプルを加熱することによって垂直勾配凍結結晶成長プロセスを実行するステップと、多帯加熱システムの制御された冷却を実施することによって、部分的に融解された種からの成長を開始するステップと、融体－結晶界面において１Ｃ／ｃｍと８Ｃ／ｃｍとの間の温度勾配を印加するステップと、凝固ガリウムヒ素結晶を形成するために、多帯加熱システムにおいて冷却速度を利用して融体に対して窪むように界面の形状を制御するステップとを含み得る。
[0049]０．１～２Ｃ／ｈの速度で多帯加熱システムの冷却が構成され得る。るつぼを石英アンプルに封止する前にるつぼが真空にされ得る。第１の３００Ｃに対して異なる加熱帯のために０．５～５Ｃ／ｈ、１～１０Ｃ／ｈ、および５～２０Ｃ／ｈの速度で、その後、室温へ２０～５０Ｃ／ｈの速度で、凝固されたチャージ材料が冷却され得る。融体に対して窪むように界面形状が制御されてもよく、中心は凝固結晶の縁部よりも５～１５ｍｍ以下だけ低い。凝固結晶は、２００ｍｍ（８インチ）以上の直径を有してもよく、１０００ｃｍ－２未満、５００ｃｍ－２未満、２００ｃｍ－２未満、１００ｃｍ－２未満、さらには３０ｃｍ－２未満のエッチピット密度を有してもよい。ウェーハは、２００ｍｍ（８インチ）以上の直径を有し得る。このウェーハは、３×１０１７～４×１０１８ｃｍ－３の範囲のドーパント濃度を有し得る。ウェーハは、５００μｍ以上の厚さを有し得る。光ルミネセンス測定は、結果として、５％未満のピーク強度標準偏差をもたらし得る。
[0050]開示される例では、ケイ素をドーパントとして有するガリウムヒ素（ＧａＡｓ）２００ｍｍ（８インチ）基板を形成するための垂直勾配凍結システムであって、このシステムは、形成プロセス中にＧａＡｓ融液および種材料を含むためのるつぼと、複数の加熱帯に配置される１つまたは複数の加熱コイルと、るつぼに対して移動する軸受台とを含み、システムは、単結晶ＧａＡｓ基板を形成するために複数の加熱帯の加熱および軸受台の移動を制御するように動作可能である。
[0051]いくつかの例では、アンプルは、るつぼを支持する。例では、軸受台は、るつぼを加熱コイルに対して移動するように動作可能である。例では、軸受台は、加熱コイルに対して回転するように動作可能である。例では、軸受台は、加熱コイルに対して垂直に移動するように動作可能である。
[0052]いくつかの例では、加熱コイルは活性化するように動作可能であり、または軸受台は、低エッチピット密度（ＥＰＤ）を達成するためにＧａＡｓ融液と結晶との間の界面の形状を制御するように移動するように動作可能である。例では、形状はＧａＡｓ融液に対して窪んでいる。例では、界面の形状は、中心が基板の縁部よりも５～２０ｍｍだけ低くなるように、５～２０ｍｍの窪みである。
[0053]いくつかの例では、三酸化ホウ素Ｂ２Ｏ３層は、結晶成長材料の損失を低減するために、ＧａＡｓ融液上に封止材料として配置される。例では、加熱コイルは活性化するように動作可能であり、または軸受台は、０．１～１．０度Ｃ／時の範囲になるように構成され得る冷却速度によって制御されるときに結晶化速度を制御するように移動するように動作可能である。
[0054]いくつかの例では、加熱コイルは活性化するように動作可能であり、または軸受台は、１～１０度Ｃ／ｃｍとなるように構成され得るＧａＡｓ融液／結晶界面における温度勾配を制御するように移動するように動作可能である。
[0055]例では、絶縁は、成長中の内向きの放射状熱流束、または成長後プロセスおよび冷却中の熱除去を促進するために、軸受台上またはその内部に配置され得る。
[0056]いくつかの例では、１つまたは複数の電子素子または光電子素子が表面の第１の表面上に形成される。例では、電子素子または光電子素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、およびｐｓｅｕｄｏ－ｍｏｒｐｈｉｃ ｈｉｇｈ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ｐＨＥＭＴ）のうちの１つまたは複数である。例では、基板の第１の側部上の電子素子または光電子素子のうちの光電子素子からの光信号が第１の側部とは反対側の基板の第２の側部に伝送されるように、基板は、複数のダイに切り離される。
[0057]いくつかの例では、基板は、２００ｃｍ－２未満のエッチピット密度を有する。例では、基板は、１×１０１９ｃｍ－３以上のドーパント濃度を有する。例では、基板は、３００μｍ以上の厚さを有する。
[0058]いくつかの開示される例では、単結晶ガリウムヒ素基板を形成する方法であって、方法は、多結晶ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）種結晶と、Ｂ２Ｏ３封止材料と、炭素とを含むチャージ原料をるつぼに封止するステップと、るつぼを石英アンプルに封止するステップと、種結晶の一部分が融解するまでチャージ原料を徐々に融解するために多帯加熱システムを使用してアンプルを加熱することによって垂直勾配凍結結晶成長プロセスを実行するステップと、るつぼに対して軸受台を移動するステップであって、システムが、多帯加熱システムの加熱および軸受台の移動を制御するように動作可能である、移動するステップと、単結晶ＧａＡｓ基板２００ｍｍ（８インチ）を形成するために部分的に溶解された種からの成長中に多帯加熱システムの制御された冷却を実施するステップとを含む。
[0059]いくつかの例では、上記方法は、融体－結晶界面において１Ｃ／ｃｍと８Ｃ／ｃｍとの間の温度勾配を印加することをさらに含む。
[0060]いくつかの例では、方法は、凝固ガリウムヒ素結晶を形成するために、多帯加熱システムにおいて冷却速度を利用して融体に対して窪むように界面の形状を制御することをさらに含む。いくつかの例では、界面の形状は、中心が基板の縁部よりも５～２０ｍｍだけ低くなるように、５～２０ｍｍの窪みである。
[0061]いくつかの例では、軸受台を移動することは、多帯加熱システムに対してるつぼを移動することを含む。いくつかの例では、軸受台を移動することは、多帯加熱システムに対してるつぼを回転させることを含む。いくつかの例では、軸受台を移動することは、多帯加熱システムに対してるつぼを垂直に移動することを含む。
[0062]いくつかの例では、上記方法は、０．１～２．０度Ｃ／時の範囲になるように構成され得る冷却速度によって制御されるときに結晶化速度を制御するように多帯加熱システムまたは軸受台移動を制御することをさらに含む。
[0063]いくつかの例では、方法は、基板の第１の表面上に１つまたは複数の電子素子または光電子素子を形成することをさらに含む。いくつかの例では、電子素子または光電子素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、およびｐｓｅｕｄｏ－ｍｏｒｐｈｉｃ ｈｉｇｈ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ｐＨＥＭＴ）のうちの１つまたは複数である。
[0064]いくつかの例では、上記方法は、石英アンプル内に封止する前にるつぼを真空化することをさらに含む。例では、方法は、第１の３００Ｃに対して多帯加熱システムの異なる加熱帯のために０．５～５Ｃ／ｈ、１～１０Ｃ／ｈ、および５～２０Ｃ／ｈの速度で、その後、室温へ２０～５０Ｃ／ｈの速度で、凝固されたチャージ原料を冷却することをさらに含む。
[0065]本発明は特定の実施形態を参照して説明されたが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われてもよく、等価物が置き換えられてもよいことが当業者によって理解されるであろう。さらに、その範囲から逸脱することなく、本開示の教示に対して特定の状況または材料を適応するために、多くの修正が行われ得る。したがって、本開示は開示された特定の実施形態に限定されず、本開示は添付の特許請求の範囲内にある全実施形態を含むことが意図される。
Claims (30)
- ケイ素をドーパントとして有するガリウムヒ素（ＧａＡｓ）２００ｍｍ（８インチ）基板を形成するための垂直勾配凍結システムであって、
形成プロセス中にＧａＡｓ融液および種材料を含むためのるつぼと、
複数の加熱帯に配置される１つまたは複数の加熱コイルと、
前記るつぼに対して移動する軸受台とを備えており、単結晶ＧａＡｓ基板を形成するために、前記複数の加熱帯の加熱および前記軸受台の移動を制御するように動作可能である、
システム。 - 前記るつぼを支持するためのアンプルをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記軸受台が、前記るつぼを前記加熱コイルに対して移動するように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
- 前記軸受台が、前記加熱コイルに対して回転するように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
- 前記軸受台が、前記加熱コイルに対して垂直に移動するように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
- 前記加熱コイルが活性化するように動作可能であり、または前記軸受台が、低エッチピット密度（ＥＰＤ）を達成するためにＧａＡｓ融液と結晶との間の界面の形状を制御するように移動するように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
- 前記形状が、前記ＧａＡｓ融液に対して窪んでいる、請求項６に記載のシステム。
- 前記界面の前記形状が、中心が前記基板の縁部よりも５～２０ｍｍだけ低くなるように、５～２０ｍｍの窪みである、請求項７に記載のシステム。
- 三酸化ホウ素Ｂ２Ｏ３層が、結晶成長材料の損失を低減するために、ＧａＡｓ融液上に封止材料として配置される、請求項１に記載のシステム。
- 前記加熱コイルが活性化するように動作可能であり、または前記軸受台が、０．１～１．０度Ｃ／時の範囲になるように構成され得る冷却速度によって制御されるときに結晶化速度を制御するように移動するように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
- 前記加熱コイルが活性化するように動作可能であり、または前記軸受台は、１～１０度Ｃ／ｃｍとなるように構成され得るＧａＡｓ融液／結晶界面における温度勾配を制御するように移動するように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
- 成長中の内向きの放射状熱流束、または成長後プロセスおよび冷却中の熱除去を促進するために、前記軸受台上またはその内部に配置される絶縁をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
- １つまたは複数の電子素子および／または光電子素子が前記表面の第１の表面に形成される、請求項１に記載のシステム。
- 前記電子素子または光電子素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、およびｐｓｅｕｄｏ－ｍｏｒｐｈｉｃ ｈｉｇｈ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ｐＨＥＭＴ）のうちの１つまたは複数である、請求項１３に記載のシステム。
- 前記基板の第１の側部上の前記電子素子または光電子素子のうちの光電子素子からの光信号が前記第１の側部とは反対側の前記基板の第２の側部に伝送されるように、前記基板は、複数のダイに切り離される、請求項１３に記載のシステム。
- 前記基板が、２００ｃｍ－２未満のエッチピット密度を有する、請求項１に記載のシステム。
- 前記基板が、１×１０１９ｃｍ－３以上のドーパント濃度を有する、請求項１に記載のシステム。
- 前記基板が、３００μｍ以上の厚さを有する、請求項１に記載のシステム。
- 単結晶ガリウムヒ素基板を形成するための方法であって、
多結晶ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）種結晶と、Ｂ２Ｏ３封止材料と、炭素とを含むチャージ原料をるつぼに封止するステップと、
前記るつぼを石英アンプルに封止するステップと、
前記種結晶の一部が融解するまで前記チャージ原料を徐々に融解するために多帯加熱システムを使用して前記アンプルを加熱することによって垂直勾配凍結結晶成長プロセスを実行するステップと、
前記るつぼに対して軸受台を移動するステップであって、前記システムが、前記多帯加熱システムの過熱および前記軸受台の移動を制御するように動作可能である、移動するステップと、
単結晶２００ｍｍ（８インチ）ＧａＡｓ基板を形成するために、前記部分的に融解された種からの成長中に前記多帯加熱システムの制御された冷却を実施するステップと、
を含む方法。 - 融体－結晶界面において１Ｃ／ｃｍと８Ｃ／ｃｍとの間の温度勾配を印加するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
- 凝固ガリウムヒ素結晶を形成するために、前記多帯加熱システムにおいて冷却速度を利用して前記融体に対して窪むように前記界面の形状を制御するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
- 前記界面の前記形状が、前記中心が前記基板の縁部よりも５～２０ｍｍだけ低くなるように、５～２０ｍｍの窪みである、請求項２１に記載のシステム。
- 前記軸受台を移動することが、前記るつぼを前記多帯加熱システムに対して移動する、請求項１９に記載の方法。
- 前記軸受台を移動することが、前記るつぼを前記多帯加熱システムに対して回転する、請求項１９に記載の方法。
- 前記軸受台を移動することが、前記るつぼを前記多帯加熱システムに対して垂直に移動する、請求項１９に記載の方法。
- ０．１～２．０度Ｃ／時の範囲になるように構成され得る前記冷却速度によって制御されるときに結晶化速度を制御するように前記多帯加熱システムまたは前記軸受台移動を制御するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
- １つまたは複数の電子素子および／または光電子素子を前記基板の第１の表面に形成するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
- 前記電子素子または光電子素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、およびｐｓｅｕｄｏ－ｍｏｒｐｈｉｃ ｈｉｇｈ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ｐＨＥＭＴ）のうちの１つまたは複数である、請求項２７に記載の方法。
- 前記るつぼを前記石英アンプルに封止する前に前記るつぼを真空にするステップを含む、請求項１９に記載の方法。
- 前記第１の３００°Ｃに対して前記多帯加熱システムの異なる加熱帯のために０．５～５Ｃ／ｈ、１～１０Ｃ／ｈ、および５～２０Ｃ／ｈの速度で、その後、室温へ２０～５０Ｃ／ｈの速度で、凝固された前記チャージ原料を冷却するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
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