JP6450675B2 - 多層基板構造を形成する方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０１２年６月２２日出願の米国特許仮出願第６１/６６２，９１８号、２０１２年６月１４日出願の米国特許仮出願第６１/６５９，９４４号、２０１３年３月１１日出願の米国特許非仮出願第１３/７９４，３７２号、２０１３年３月１１日出願の米国特許非仮出願第１３/７９４，３２７号、および２０１３年３月１１日出願の米国特許非仮出願第１３/７９４，２８５号の優先権の利益を主張し、各出願の開示は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の例示的な実施形態は、半導体材料、方法、および装置に関し、より具体的には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長のための多層基板構造およびその製造システムに関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、およびリン化ガリウム（ＧａＰ）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、マイクロ波周波数集積回路、発光ダイオード、レーザダイオード、太陽電池、高出力高周波電子機器、および光電子デバイスなどの電子機器の製造に広く使用される。処理能力を改善し、製造コストを削減するために、基板サイズ（例えば、直径）の拡大が望まれる。大型サイズのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長には高額な費用が掛かるため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長のための基板として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイアおよびケイ素などの半導体だけでなく、金属、金属酸化物および金属窒化物を含む多くの異質材料が一般的に使用されている。

しかしながら、基板（例えば、サファイア）上でのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（例えば、ＧａＮ）のエピタキシャル成長は、ＧａＮ層と下地基板の異質材料との間の格子不整合および熱膨張係数不整合により、エピタキシャル層の結晶品質に多くの課題（例えば、結晶粒界、転位やその他の拡張欠陥、および点欠陥）をもたらす。ＧａＮ層と下地基板との間の熱膨張係数の相違は、ウエハ全体に大きい曲率を生じ、処理中および後処理時に室温に戻る結果となり、また、格子定数の著しい不整合は、高転位密度、望ましくない歪みおよびエピタキシャルＧａＮ層内に伝搬される欠陥をもたらす。これらの問題に対処するために、ＧａＮ層とサファイア基板間にバッファ層を成長させる方法や、適切な材料の層を交互に重ねることで圧縮および張力歪を相殺する方法などの応力緩和戦略が用いられる。しかしながら、バッファ層または応力除去層を加えることにより、転位密度は高いままに維持され、また、能動素子層の成長に使用されるのと同様の堆積技術が使われるために製造コストおよび複雑性が大きく増加する。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイアおよびケイ素などの半導体と同様に、金属、金属酸化物、金属窒化物を含む異質材料が、半導体のエピタキシャル成長のための基板として使用される場合、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）または有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）技術、および、場合によって原子層堆積（ＡＬＤ）または原子層エピタキシー（ＡＬＥ）技術を使用して、半導体薄膜が基板上に堆積される。しかしながら、これらの方法を用いても、すべての原子、イオン、または分子が規則的配列に構築されるわけではないため、多くの原子が望ましくない結合配向を形成し、半導体材料の電子特性に悪影響を及ぼすと共に結晶品質を著しく低下させる。結晶品質は、通常、結晶サイズ、結晶粒度、担体寿命、および拡散距離によって表される。

帯域溶解再結晶（ＺＭＲ）などのいくつかの技術は、結晶材料品質を向上させるように設計されているが、堆積膜の一部を溶融するために生成された温度が、下地基板の処理可能な最大温度を超過する可能性があるという欠点がある。下地基板が堆積膜の溶融点まで加熱されるのを防ぐために、加熱時間を短縮することが可能である。しかしながら、加熱時間を短縮すると、結晶構造が凝固する際、縦と横の両方向に同時に成長せずに縦方向にだけ成長する。従って、エピタキシャル成長は横方向ではなく縦方向が大半を占め、その結果、基板に沿って小さい結晶粒のパッチができる。

本発明の一実施形態によれば、多層基板構造は、基板と、基板上に形成された熱整合層と、熱整合層上の格子整合層とを備える。熱整合層は、モリブデン、モリブデン銅、ムライト、サファイア、グラファイト、酸窒化アルミニウム、ケイ素、炭化ケイ素、酸化亜鉛、および希土類酸化物のうちの少なくとも１つを含む。格子整合層は、合金を形成するための第１の化学元素と第２の化学元素を含む。第１および第２の化学元素は、類似の結晶構造および化学的性質を有する。熱整合層の熱膨張係数は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構成元素のそれとほぼ同一である。

本発明の一実施形態によれば、多層基板構造の生成方法は、基板を提供するステップと、基板上に熱整合層を成長させるステップとを含む。熱整合層は、モリブデン、モリブデン銅、ムライト、サファイア、グラファイト、酸窒化アルミニウム、ケイ素、炭化ケイ素、酸化亜鉛、および希土類酸化物のうちの少なくとも１つを含む。この方法はまた、熱整合層上に格子整合層を成長させるステップも含む。格子整合層は、合金を形成するための第１の化学元素と第２の化学元素とを含む。格子整合層は、合金を形成するための第１化学元素と第２化学元素を含む。第１および第２の化学元素は、類似の結晶構造および化学的性質を有する。熱整合層の熱膨張係数は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構成元素のそれとほぼ同一である。

本発明の一実施形態によれば、基板上に膜を堆積する方法は、視線堆積法を使用して材料源から原材料を基板の表面上に導くステップと、基板と原材料との間に配置されたシャッタで基板の所定部分を遮断し、遮断された基板部と遮断されていない基板部を作成して、基板の最初のブロックされた部分上に原材料が堆積されるのを防ぐステップと、遮断された基板部が減少し遮断されていない基板部が増加するようにシャッタと基板との間に相対運動を引き起こし、それにより、移動する横方向成長境界を作成して基板全体に横方向のエピタキシャル成長をもたらすステップと、を含む。

本発明の一実施形態によれば、基板上に膜を堆積するシステムは、横方向制御シャッタを備える。横方向制御シャッタは、基板と原材料との間に配置され、基板の一部を遮断して遮断された基板部分上に原材料が堆積するのを防止するように構成される。移動する横方向成長境界を作成するために、横方向制御シャッタおよび／または基板の一方がもう一方に連動し、その結果、基板全体の横方向エピタキシャル堆積と、基板表面全体に大きい粒度を有する結晶膜の形成とをもたらす。

本発明の実施形態を一般的な用語で説明してきたが、次に添付の図面（必ずしも一定の縮尺で描かれていない）について説明する。

代表的な実施形態に従い、例示的な多層基板構造の断面図の一例を示す。 代表的な実施形態に従い、例示的な多層基板構造の断面図の一例を示す。 代表的な実施形態に従い、例示的な多層基板構造の断面図の一例を示す。 代表的な実施形態に従い、例示的な多層基板構造の断面図の一例を示す。 六方最密構造の概略図を示す。 格子定数を示す単位格子の概略図を示す。 周期律表を示す。 代表的な実施形態に従い、構成元素の転位温度と原子濃度との段階的相関図を示す。 代表的な実施形態に従い、基板上に膜を堆積するシステムの一例を示す。 スパッタリング堆積処理における蒸発物質の角度分布の一例を示す。 スパッタリング堆積処理における蒸発物質の角度分布の一例を示す。 スパッタリング堆積処理における蒸発物質の角度分布の一例を示す。 本発明の代表的な実施形態に従い、基板上に大きい拡張した結晶を成長させる方法の一例を示す。 本発明の代表的な実施形態に従い、基板上に大きい拡張した結晶を成長させる方法の一例を示す。 本発明の代表的な実施形態に従い、基板上に大きい拡張した結晶を成長させる方法の一例を示す。 本発明の代表的な実施形態に従い、基板上に大きい拡張した結晶を成長させる方法の一例を示す。

様々な実施形態が添付図面を参照してより詳細に説明される。これらの実施形態は、本開示が当該技術分野の知識を有する本明細書の読者に対して本発明の範囲を完全かつ完璧に伝える目的で提供される。本明細書を通じて類似の番号は同様の要素を指す。

図１Ａは、一実施形態に従った多層基板構造１００の断面図の一例を示す。多層基板構造１００は、基板１０２と、基板１０２上にエピタキシャル成長したエピタキシャル層１０４とを含む。基板１０２は、様々な用途に応じて、半導体材料、化合物半導体材料、または金属、非金属など他の種類の材料を含んでもよい。例えば、材料は、モリブデン、モリブデン銅、ムライト、サファイア、グラファイト、酸窒化アルミニウム、ケイ素、炭化ケイ素、酸化亜鉛、および希土類酸化物、そして／またはその他の適した材料を含む。

エピタキシャル層１０４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、および窒化インジウム（ＩｎＮ）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む。上述したように、基板１０２とエピタキシャル層１０４との間に格子定数不整合が起こる可能性がある。格子定数不整合により生じる欠陥を減少または除去するために、基板１０２上のエピタキシャル層１０４の成長において、基板１０２とエピタキシャル層１０４間の格子不整合を調整するための、５ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する格子整合層１０６を使用できる。格子整合層１０６は、合金を形成するための２つ以上の構成元素（例えば、第１の化学元素と第２の化学元素の２つの構成元素）を備えてもよい。第１の化学元素は、合金内で第２の化学元素に混和性を有する。２つの構成元素は、図２Ａに示す六方最密構造のように、室温で類似した結晶構造を有してもよい。図２Ｂに示すように、各構成元素はａ軸、ｂ軸およびｃ軸に沿った格子パラメータと、軸間角度α、βおよびγの格子パラメータとを含む、それぞれ個別の格子定数を有してもよい。２つの構成元素は、結晶構造の類似に加えて、類似した化学的性質を有してもよい。一実施形態において、第１および第２の化学元素は両方とも、図３に示す周期表の第４族元素（すなわち、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）およびラザホージウム（Ｒｆ））に属してもよい。このように、合金は、元素ＴｉとＺｒ、元素ＴｉとＨｆ、および元素ＺｒとＨｆから生成され、室温でこれらの構成元素と類似した結晶構造を有してもよいし、あるいは、２つの元素の任意の組み合わせから生成されてもよい。合金は、類似の結晶構造および類似の化学的性質を有する第３の化学元素またはさらに複数の元素を含んでもよい。

格子整合層１０６の格子定数をエピタキシャル層１０４のそれとほぼ等しくするために、 第１および第２の化学元素と一定温度におけるそれらの関連した格子パラメータとの間には線形関係が存在する。第１の化学元素の第２の化学元素に対する原子濃度のモル分率は、Ｐ_１：（１−Ｐ_１）である。組成要素により得られる合金の格子パラメータ値が制御されるため、モル分率は適用ごとに変化する。一実施形態において、エピタキシャル層１０４がＧａＮを含み、合金がＺｒと混合したＴｉを含むとき、Ｚｒの原子濃度Ｐ_Ｚｒは７５％より大きく９０％未満となる。例えば、Ｐ_Ｚｒは約８６％であってよい。さらに、Ｔｉの原子濃度Ｐ_Ｔｉは（１−Ｐ_Ｚｒ）となる。Ｚｒの第１の格子パラメータ（例えば、ａ軸の格子パラメータａ_Ｚｒ）は３．２３Åである。Ｔｉの第２の格子パラメータ（例えば、ａ軸の格子パラメータａ_Ｔｉ）は２．９５１Åである。この結果、合金のａ軸に沿った格子定数Ｐ_Ａは、Ｐ_Ｚｒ×ａ_Ｚｒ＋（１−Ｐ_Ｚｒ）×ａ_Ｔｉ＝８６％×３．２３＋１４％×２．９５１＝３．１９Åとなり、これは、Ｐ_ＧａＮ＝３．１８９Åである六方最密ＧａＮのａ軸格子定数Ｐ_ＧａＮにほぼ等しい。構成元素およびその他の要因に応じて、第１の化学元素の第２の化学元素に対する原子濃度は、約４３％：５７％または９９％：１％となる。

エピタキシャル層１０４が異なる化合物半導体（例えば、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮおよび／またはその他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）を含むとき、格子整合層１０６の構成元素および／または構成元素のモル分率は、格子整合層１０６の格子定数をエピタキシャル層１０４のそれと適合させるように調整可能である。例えば、エピタキシャル層１０４がＡｌＮを含み、格子整合層１０６の構成元素がＺｒとＴｉであるとき、Ｚｒの原子濃度は７５％未満かつ５０％より大きくなるように調整できる。同じ構成元素を使用する別の実施形態において、エピタキシャル層１０４がＩｎＧａＮを含むとき、Ｚｒの原子濃度は９０％より高くてもよい。１００％の格子整合を達成するためには、エピタキシャル層１０４の材料だけでなく、エピタキシャル層１０４の厚さもまた、構成元素選択の変更および構成元素のモル分率変更の要因となる。エピタキシャル層１０４の厚さは、変更しても５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内である。換言すると、エピタキシャル層１０４の厚さと材料が、格子整合層１０６を形成する際の構成元素の選択およびモル分率を決定する。エピタキシャル層１０４は、（真空蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシー法、パルスレーザ堆積法、有機金属気相成長法、原子層堆積法および／またはその他の適切なエピタキシャル堆積法などの）任意のエピタキシャル技術を使用して、格子整合層１０６の結晶パターンをエピタキシャル層１０４に転写するために格子整合層１０６上にエピタキシャル成長する。格子整合層１０６は、真空蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシー法、パルスレーザ堆積法、有機金属気相成長法、および原子層堆積法などの堆積技術のいずれか１つを使用して、下地層（例えば、基板１０２）上に形成される。

六方最密相（α相）は、特定の光電子デバイスや電力半導体の用途において、体心立方相（β相）より潜在的な優位性を有することから、格子整合層１０６と同様の結晶パターンを獲得するためには、エピタキシャル層１０４をα相で成長させるのが望ましい。図４は、一実施形態に従い、α‐β相転移温度とＺｒおよびＴｉの原子濃度との相関関係を示す。例えば、Ｐ_Ｚｒが５０％であるとき、Ｐ_Ｔｉ＝１−Ｐ_Ｚｒ＝５０％、α‐β相転移温度は約６０５℃である。Ｐ_Ｚｒが（上述した実施形態の一例として）８４％であるとき、α‐β相転移温度は約７８０℃である。エピタキシャル層１０４上に多重量子井戸（ＭＱＷ）デバイスを形成する用途（例えば、超高輝度ＬＥＤ）において、有機金属気相成長法および原子層堆積法などのエピタキシャル堆積法および／またはその他の任意の適切なエピタキシャル成長法は、７００℃〜８５０℃の温度範囲で行われる。本実施形態では、β相転位ではなくα相で格子整合層１０６の結晶パターンをエピタキシャル層１０４に転写する試みにおいて、多層基板構造は、任意の加熱法／熱源により、α‐β相転移温度の７８０℃未満であるが７００℃よりは高い温度で加熱される。エピタキシャル層１０４の形成が終了すると恒久的にα相に設定されるため、この後に続くＭＱＷおよび任意の追加デバイス層の成長においては、多層基板構造の加熱温度を７８０℃より上げるかまたは下げることができる。温度は、最初α‐β相転移温度より高く上げられ、その後直ちにα‐β相転移温度より下げられ、それにより相転移自由エネルギーを生成して、格子整合層に単結晶α相を生じる大きい横方向領域を結晶させる。

格子整合層１０６の導入により、基板１０２とエピタキシャル層１０４との間の格子定数の相違の結果として、エピタキシー成長中に発達しエピタキシャル層１０４内に生じる可能性のある応力が低下し、それにより、高結晶品質のエピタキシャル層１０４の成長が助長される。このような応力が格子整合層によって除去されない場合、応力がエピタキシャル層１０４の結晶構造に欠陥を引き起こす可能性がある。エピタキシャル層１０４の結晶構造の欠陥は、その後に続く任意のデバイス成長においてもエピタキシーでの高品質結晶構造の達成を困難にする。格子整合層１０６は、「Ａ Ｌａｔｔｉｃｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｌａｙｅｒ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｉｎ Ａ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（仮称：多層基板構造で使用するための格子整合層）」という名称の米国特許出願明細書においても開示されている。

上述したように、基板１０２は、半導体材料、化合物半導体材料、または金属や非金属などのその他の種類の材料を含むことができる。いくつかの実施形態において、基板１０２は、多結晶固体の形状であってもよい。多結晶基板は、単結晶ではなく多結晶であることから格子整合層１０６に悪影響を及ぼし、それにより、格子整合層１０６とエピタキシャル層１０４間の格子定数（複数の結晶粒と複数の結晶配向の平均格子定数）の相違が拡大し、貫通転位または結晶粒界などの拡張欠陥を引き起こし、エピタキシャル層１０４の結晶が低品質となる。多結晶基板の悪影響を減少または除去するために、図１Ｂに示すように、多結晶基板１０２と格子整合層１０６との間に非晶質層１０８を導入してもよい。多結晶基板１０２と格子整合層１０６との間に非晶質層１０８を追加することにより、格子整合層１０６に対する多結晶基板１０２の影響を減少できる。これにより、格子整合層１０６の結晶だけがエピタキシャル層１０４に転送される。非晶質層１０８は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化タンタル、窒化ホウ素、窒化タングステン、ガラス状非晶質炭素、ケイ酸塩ガラス（例えば、ホウリンケイ酸ガラスやリンケイ酸ガラスなど）および／またはその他の適切な材料を含むことができるが、これに限定されない。非晶質層１０８は５ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有することができる。

いくつかの実施形態においては、基板１０２の熱膨張率が上層のそれと異なり、その結果、基板曲折が大きくなる。例えば、基板１０２の熱膨張率が上層のそれよりも大きいとき（例えば、基板がサファイアを含むとき）、二軸圧縮歪みが生じる。基板の熱膨張率が上層のそれよりも小さいとき（例えば、基板がケイ素を含むとき）、引張歪みが生じる。熱膨張率の不整合に起因する障害を克服するために、（図１Ｃおよび図１Ｄに示すように）基板がいくつかの化学元素を含むことにより熱整合層１０２ａとして使用され、図１Ｃに示すように、基板（すなわち、本実施形態における熱整合層１０２ａ）と格子整合層１０６との間の、あるいは、図１Ｄに示すように、基板と非晶質層１０８との間の熱不整合を調整する。一実施形態において、熱整合層１０２ａはモリブデンまたはその関連合金を含む。モリブデンの熱膨張率は約５．４×１０^−６／Ｋであり、これは、ＧａＮなどのいくつかのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のそれにほぼ等しい。基板は、金属、結晶、およびそれらの合金の成長のための様々な方法を使用して生成できる。成長方法の例としては、チョクラルスキー、フロートゾーン（ＦＺ）、方向性凝固（ＤＳ）、帯域溶融再結晶（ＺＭＲ）、焼結、静水圧プレス成形、電気化学めっき、プラズマトーチ堆積、および／またはその他の適切な方法がある。熱整合層１０２ａは５ｎｍ〜１ｍｍの範囲の厚さを有する。

熱整合層および格子整合層の導入により、熱膨張の不整合および格子の不整合による歪みが減少または完全に除去される。その結果、形成されるエピタキシャル層１０４の転位密度は１０^２／ｃｍ^２より小さく（１ｃｍ^２あたり１００転位未満に）なる。発光ダイオード（ＬＥＤ）の開発において、歪みの減少または除去は、いわゆる「グリーンギャップ」を克服する要件を満たす可能性がある。「グリーンギャップ」とは、緑色ＬＥＤを生成するためにインジウムをＧａＮと合金する多重量子井戸（ＭＱＷ）ＬＥＤからのＬＥＤ光の出力低下を意味する業界表現である。この出力される緑色光の減少は、基板の過度の歪み、応力誘起の拡張欠陥、および、能動ＭＱＷデバイス層に伝搬する点欠陥により生じる欠陥密度に起因して、１〜５ｍｍ^２のデバイス領域内の５０ｍＡより大きい順電流に対して生じる。

人間の目は緑色に対して最も感受性があり、緑色光は白色光の品質に対する人間の知覚に強い影響を与えるため、本実施形態は、層１０４上に高品質結晶デバイスを成長させることを可能にする。さらに、本発明の例示的な実施形態は、緑色ＬＥＤの結晶テンプレート作成において費用効率の高い方法に適している。このように、「グリーンギャップ」を埋めることにより、今日使用されている下方変換ＬＥＤの蛍光体を超える最高の理論的有効性を有し、赤色、緑色および青色の混合光に基づく白色ＬＥＤの高い性能をさらに向上させることができる。

図５は、例示的な一実施形態に従い基板上に膜を堆積するシステム５００を示す（本明細書で使用される「例」、「例示的」などの単語は「例または実例としての役割を果たす」ものとする）。基板５０４上の薄膜５０２の横方向Ａのエピタキシャル堆積を促進するために、横方向制御シャッタ５０６が採用され、基板５０５と材料源５０８との間に配置される。材料源５０８は、適切な堆積法を使用して基板表面上に原材料を堆積するように構成される。使用する堆積法に応じて、原材料は固体または液体源から原子または分子の形態で蒸発し、真空ガスか低圧ガスまたはプラズマ環境を介して蒸気として基板に輸送される。蒸発材料は、様々な荷電状態にある元素、合金、または化合物であってよい。蒸発材料が１メートルを超える長い平均自由行程を有するとき、蒸発材料の軌道は一直線の視線と見なすことができる。従って、使用された堆積方法は視線堆積法であると定義される。視線堆積法は、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザ堆積法、分子線エピタキシー法、原子層堆積法、原子層エピタキシー法、プラズマトーチ堆積法、および／またはその他の適切な方法を含む、物理蒸着法または化学蒸着法である。化学蒸着法は、大気圧化学蒸着法および／またはその他の適切な化学蒸着法である。材料源の形態に応じて、真空蒸着法は、熱蒸着法、レーザビームまたは収束ランプ蒸着法、アーク放電蒸着法、および電子ビーム蒸着法を含む。同様に、材料源の形態に応じて、スパッタリング法は、直流スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、高周波スパッタリング法、およびパルスレーザスパッタリング法のいずれか１つを含む。

上述した堆積法の任意の適用例において、材料源５０８と基板５０４との間の距離Ｌ１は、気体中の大部分の分子が一直線に到達できるように、気体分子の平均自由行程より小さくてよい。基板５０４の表面上に薄膜５０２を均一に形成するために、横方向制御シャッタ５０６と基板表面との間の距離Ｌ２は、気体分子の平均自由行程より小さくてよい。本実施形態の平均自由行程は、気体分子が他の気体分子と衝突する前に移動する平均距離として定義される。基板５０４は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、アモルファス窒化ホウ素、アモルファス窒化タングステン、ガラス状非晶質炭素、アモルファス希土類酸化物、アモルファス酸化亜鉛、およびケイ酸塩ガラスを含むことができる。

異なる堆積法は基板における異なる流束角度分布を有する。各堆積法には基板の角度分布の改善を補助するための多くの方法が存在する。スパッタリング堆積法を例に取ると、一般的なスパッタリング堆積法において、図６Ａに示すように、原子が材料源（例えば、スパッタリングターゲット）からコサイン角度分布で放射されるため、基板上に衝突する原子の大部分が正常な入射角で基板に衝突しないのは珍しいことではない。基板におけるより正常な角度分布を形成するために、マグネトロンスパッタリングシステムにおいて、コリメータを採用して基板とスパッタリングターゲットとの間に配置してもよい。コリメータの使用は、スパッタリングターゲットから非正常な流束を減少させ、堆積物の指向性を向上させる。コリメート入射の角度分布を図６Ｂに示す。イオンアシスト堆積法では、スパッタ原子の一部がイオン化される。イオン化原子は、θ＝０°付近に集中して指向性のある角度分布、例えば、指向性角度分布６０２を形成し、一方、中性種は一般的にコサイン角度分布６０４を有する。図６Ｃに示すように、全体の角度分布は、コサインおよび指向性角度分布の重ね合わせとして見られる。

蒸着法では、基板上に蒸着した材料の入射角が、膜特性、結晶方位、およびその他の特性に影響を与える。材料源により生成された入射原子流束の角度分布および基板における所望の原子の角度分布に応じて、蒸発材料は正常の入射角または非正常の入射角で基板表面に堆積される。図５に戻ると、原材料は−１５°〜＋１５°の入射角で堆積される。堆積する原子流束の平均入射角は、堆積形状、蒸発源の種類、および、基板と材料源との間の相対運動に応じて変化する。

図５に示すように、横方向制御シャッタ５０６は膜成長を制御するために使用される。横方向制御シャッタ５０６は、堆積する薄膜５０２の横境界（番号なし）を定義し、基板表面の部分上への原材料の堆積を防止するために基板５０４の所定部分を覆う。実施中、横方向制御シャッタ５０６または基板５０４の一方または他方を移動させることにより、堆積薄膜５０２の横境界は移動され、基板全体の横方向エピタキシャル堆積を促進するために膜の成長端を前進させるように制御される。図５に示す一実施例において、横方向制御シャッタ５０６は基板５０４に対して方向Ａに移動する。別の実施例においては、横方向制御シャッタは静止したままで、基板が横方向制御シャッタに対して移動する。さらに別の実施例においては、横方向制御シャッタおよび基板の両方が、互いの相対運動を達成するために異なる速度で移動する。システム５００は、横方向制御シャッタと基板との間の相対運動を制御する駆動システム（図示せず）をさらに含んでもよい。システム５００は、薄膜５０２の前進する成長端の後に残される単結晶上への不要な堆積を遮蔽するために使われるトレーリング制御シャッタ５１２を含んでもよい。後者は薄膜５０２全体の膜の厚さを均一に維持するのを助ける。トレーリング制御シャッタが使用される場合、トレーリング制御シャッタ５１２は、基板５０４上に新たに結晶化した薄膜５０２上へのさらなるエピタキシャル堆積を回避するように構成される。

基板上の堆積物質の結晶粒度など多くの膜特性は堆積温度によって影響を受けるため、温度の制御が望ましい。システム５００は、使用する堆積法に応じて、基板の温度を制御し、かつ／または堆積処理に使用される高温度を提供するための異なる種類の熱源（例えば、図５の熱源５１０）を備える。例えば、真空堆積処理において、一般的に熱源は、原材料を熱的に蒸発させ、目的の材料源表面から堆積物質を脱着させ、浄化および後続処理のために基板を熱し、原材料を溶解させ、かつ熱運動エネルギーを加えるために使用されるか、または、基板表面の堆積処理に関与する吸着原子または分子の表面移動度を高めるために使用される。熱は多くの異なる技術により真空容器内で生成される。スパッタリング堆積法の例では、基板は、イオン衝撃、電子、光放射、誘導加熱、またはその他の加熱技術により加熱される。熱源は、システム内またはシステム外に組み込まれる。典型的な熱源は、放射加熱（赤外線加熱、レーザ等）、熱線放射加熱、集束ランプ加熱、誘導加熱、直接金属台座加熱、または、セラミック台座加熱を含む。

単結晶材料の膜が基板に堆積されると、エピタキシャル成長が起こり、単一の種結晶が基板表面に分離されている場合か基板が単結晶である場合、基板の結晶構造が成長材料に再現される。転位密度および堆積物質と基板との間の格子不整合に起因する歪みなどの材料特性を決定する上で、結晶の横方向の成長が重要な役割を果たすことから、堆積物質の横方向のエピタキシャル成長を促進するために横方向制御シャッタを使用できる。横方向制御シャッタと基板との間の相対運動により、エピタキシャル成長は当初、基板の表面に対して実質的に垂直な方向（例えば、縦方向）に生じ、その後、基板の表面に対して実質的に一致する方向（例えば、平行方向）へと進んでいく。横方向の結晶エピタキシャル成長を図７Ａに示す。図７Ａにおいて、横方向制御シャッタ７０６は、基板の左端７１２から基板のもう一端（図示せず）に向かって移動し、これにより、エピタキシャル成長が左端７１２から開始される。左端７１２の多くのポイントで複数の結晶粒が成長し、後続の結晶成長のための種結晶としての役割を果たす。結晶は当初は縦方向に成長する。横方向制御シャッタ７０６と基板間の移動に伴い、結晶は横方向と縦方向に同時に成長することができる。

堆積膜の結晶粒度は、電気特性において重要な役割を果たす。結晶粒度が増加するにつれて、単位領域当たりの結晶粒界の数および境界界面の数が減少する。例えば、結晶粒度が小さいなどの高密度の結晶粒界または結晶構造の拡張欠陥は、堆積膜の電気伝導性および熱伝導性を低下させる傾向がある。従って、可能な限り結晶粒度を大きくすることが望ましい。最小の結晶粒界および基板上の最小数の結晶粒を達成する例示的な実施形態を図７Ｂ〜図７Ｄに示す。

図７Ｂに示すように、横方向制御シャッタ７０６が基板（図示せず）と材料源（図示せず）との間に配置され、材料源に露出される領域（例えば、領域７１４）を残して基板の一部を覆う。領域７１４は鋭い角または縁を有する。本実施形態において、鋭角は、横方向制御シャッタと基板の配置を調整することにより作成された基板の角である。このような配置により、自己選択した結晶母粒７１６が鋭角に成長する。結晶母粒は、結晶化を開始しかつ堆積の開始位置を提供する種結晶としての役割を果たす。横制御シャッタ７０６と基板との間の横方向の相対運動により、基板の表面全体に縦と横の両方向同時に結晶が成長する。別の実施形態では、鋭角に成長する結晶母粒が１つ以上存在し、横方向への前進が結晶粒界を外向きに駆動する補助となり、基板全体に非常に大きい横寸法を有する最小限数の結晶粒を効果的に形成する。

図７Ｃに示す実施形態では、表面起伏構造（例えば、表面起伏構造７２０）を形成するために基板表面の一部をパターニングすることにより、基板表面上に薄膜を堆積する間、または基板表面上に溶融材料の再結晶化をする間の長距離秩序を作成するグラフォエピタキシーが使用される。表面起伏構造７２０は、基板上に結晶母粒を成長させるためのテンプレートとして機能し、新たに成長する薄膜に所望の結晶方位を誘導する。結晶母粒は、その後、結晶化を開始しかつ成膜を始める起点を提供するために使用される。図７Ｂに示す実施形態と同様に、横方向制御シャッタ５０６と基板との間の横方向の相互運動により、単一の結晶粒が縦と横の両方向同時に基板の表面全体に成長する。表面起伏構造７２０は、光リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、または収束イオンビーム（ＦＩＢ）リソグラフィ、および／またはその他の適切なリソグラフィ技術などの様々なリソグラフィ技術によって作成できる。別の方法として、表面起伏構造７２０は、レーザ加熱処理またはアブレーションにより基板の角または縁に移動または付け加えられてもよい。本実施形態では、成長する縁が角から離れて進むにつれて、結晶母粒は基板面上に突き出してもよい。

表面起伏構造７２０の導入に加えて、結晶母粒７２２が基板の一点（例えば、基板の角）に追加されてもよい。結晶母粒は、結晶化を開始しかつ成膜を始める起点を提供するために使用される。同様に、追加された結晶母粒は、成長する縁が角から離れて進むにつれて、基板面上に突き出してもよい。

図７Ｂと同様に、図７Ｄは、材料源に露出した領域を有する基板の領域７２４の鋭角で成長を開始し、かつ横方向外向きに成長する結晶母粒を示す。図７Ｂとは対照的に、本実施形態の鋭角は、基板と横方向制御シャッタの配置の調整によって作成されたものではない。鋭角は、そうした形状を有するシャッタによって成形される。結晶母粒が鋭角で成長し、結晶化を開始し、かつ堆積を開始する起点を提供する種結晶として働く。図示した三角形または同一の曲率を有する三日月形を使用する更なる利点は、結晶粒競争を通して、結晶粒界がシャッタの縁の形に垂直に成長することである。後者は、成長する縁が種結晶から離れて進むにつれて、必然的に基板のより広い面に平行に任意の結晶粒を成長させる。

上述の実施形態では、シャッタは異なる適用に従い様々な形を有する。例えば、図７Ｄに示すように、シャッタは多角形または弓形の形状であってよい。多角形の外周の部分により、結晶母粒が成長する鋭角を有する形状が画定される。シャッタは長方形、正方形、円形、三角形、三日月形、または「シェブロン（山形）記号」形、および／またはその他の任意の適切な形であってよい。例えば、シャッタは、多層基板構造内に格子整合層を成長させるために使用することができる。

本明細書に記載された多くの変更およびその他の例示的な実施形態は、これらの例示的実施形態が関連する技術分野に精通する読者に、前述した説明および添付の図面に提示した教示の恩恵を有していることを思い起こさせるものである。従って、実施形態は開示された特定のものに限定されるべきではないこと、かつ、変更およびその他の実施形態は特許請求の範囲内に含まれるように意図されていることを理解されたい。さらに、上述の説明および関連する図面は、要素および／または機能のいくつかの例示的な組み合わせに関連して例示的な実施形態を説明しているが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、要素および／または機能の異なる組み合わせが代替的な実施形態によって提供されてもよいことを理解されたい。 この点に関して、例えば、要素および/または機能の上記以外の異なる組み合わせもまた、添付の特許請求の範囲の一部に記載されているものとされる。

Claims (4)

1. 多層基板構造を形成する方法であって、前記多層基板構造が、格子整合層を含み、前記格子整合層が、
   第１の化学元素であって、室温より高いα‐β相転移温度で体心立方構造に変換する六方最密構造を室温で有し、前記第１の化学元素の前記六方最密構造が第１の格子パラメータを有する、第１の化学元素と、
   第２の化学元素であって、前記第１の化学元素と同様の化学的性質を備える六方最密構造を室温で有し、前記第２の化学元素の前記六方最密構造が第２の格子パラメータを有し、かつ六方最密構造を有する合金を室温で形成するために前記第１の化学元素と混和性である、第２の化学元素とを有し、
   前記合金の格子定数が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構成元素の格子定数に等しいことを特徴とし、
   さらに、(a)前記格子整合層上にエピタキシー層のエピタキシャル成長を行った後に、α‐β相転移温度より高い温度に前記多層基板構造を加熱し、かつ直ちにα‐β相転移温度未満に下降させるステップをさらに含み、前記格子整合層で単結晶α相となる大きい横方向領域を結晶化するために相転移自由エネルギーの生成をもたらすこと、及び、(b)前記エピタキシー層が、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含むこと、を特徴とする、方法。
2. 前記格子整合層をその上に成長させる熱整合層を形成するステップをさらに含み、前記熱整合層がモリブデン、モリブデン銅、ムライト、サファイア、グラファイト、酸窒化アルミニウム、ケイ素、炭化ケイ素、酸化亜鉛、または、希土類酸化物のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 平面に沿った前記第１の化学元素の熱膨張係数と前記第２の化学元素の熱膨張係数を、前記同一平面に沿った前記合金の熱膨張係数の一次推定値に到達するように内挿するステップをさらに含み、前記合金の前記熱膨張係数が、前記同一平面に沿った前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の前記構成元素の膨張係数であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. α‐β相転移温度未満に前記多層基板構造を加熱するステップをさらに含み、正確なα相で前記格子整合層上に前記エピタキシー層のエピタキシャル成長を可能にすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。