KR20010032297A - 수직 보트 성장 방법을 위한 장입물 및 그의 용도 - Google Patents

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Abstract

GaAs 단결정체 잉곳의 수직 보트 성장내에, 미리 결정된 양으로 분말 흑연이 성장된 잉곳내에 직접적으로 관계된 계획된 목표 전기 특성을 확립하기 위해 장입물내에 포함된다. 전기는 성장된 잉곳내에 탄소 농도와 일치한 것을 특징으로 한다.

Description

수직 보트 성장 방법을 위한 장입물 및 그의 용도{CHARGE FOR VERTICAL BOAT GROWTH PROCESS AND USE THEREOF}
상업용 단결정체 잉곳들은 일반적으로 다음 공정: (a) 수직 경사 응고(VGF), (b) 수직 브짓지만(bridgeman)(VB), (c) 수평 브릿지만(HB), 및 (d) 액체 캡슐 봉합 초카랄스키(czochralski)(LEC) 중 하나에 의해 성장하게 된다. VGF, VB 및 HB에 의해 제조된 웨이퍼(wafer)들은 ″저결함 밀도″(LDD) 재료를 생산할 수 있고, 및 그의 특징상 LEC는 단지 ″고결함 밀도″(HDD) 재료를 생산한다. 상기 정의에 의해, LDD 재료는 102내지 103전위/cm3를 위해서 에치-피트(etch-pit) 밀도(EPD)로 특징지워지고, 및 HDD 재료는 104내지 105전위/cm3를 위해서 더 높은 EPD로 특징지워진다. LEC에 의해 단결정체 성장을 위한 잔류 내부응력은 실질적으로 VGF, VB 및 HB에 의해 제조된 웨이퍼내에서 보다 더 높다. 높은 재질의 결정체 및 낮은 잔류 내부응력의 LDD 재료는 잉곳으로부터 웨이퍼를 절단할 때 적은 균열, 웨이퍼 취급시 적은 파쇄, 우수한 표면 형상, 및 최종 제품, 예를 들면 레이저, 반도체 회로 등을 생산하는데 있어 바람직한 많은 다른 특성의 장점으로 직접적으로 변태한다.
반절연 웨이퍼의 상업적 적합성은 제어된 저항력, 웨이퍼를 가로지른 균일한 저항력, 유동성, 순도, EPD, 웨이퍼의 평탄도등을 바탕으로 평가된다. 그러한 웨이퍼들을 얻기 위한 반절연 잉곳의 상업적 적합성은 전기 특성, 잉곳의 두부(頭部)에서 미부(尾部)까지 균일함, 낮은 잔류 내부응력 및 재생산 가능한 성장 방법을 바탕으로 평가된다.
아래에 나타낸 바와 같이, 제어된 탄소의 결합은 반절연 GaAs 재료의 성공적인 성장에 있어 중요한 요소이다. GaAs의 반절연 전기 특성은 (a) 잔류 도너 불순물(donor impurity), 예를 들면 실리콘, (b) 다결정체 재료내에 잔류 탄소를 구성하는 억셉터 불순물(acceptor impurity) 및 억셉터 불순물로써 도입된 탄소, 및 (c) GaAs 재료의 화학양론적으로 관계된 중간 틈 고유의 이중 도너 결함인 EL2의 농도에 의해 결정된다. EL2 결함은 Ga 반대 위치상의 As와 관련되어 있다. 반절연 GaAs는 단지 다음 관계가 성립될 때 이루어질 수 있다.
N(EL2) 〉 [N(a) - N(d)] 〉 0
여기에서, N(EL2)는 EL2 결함의 농도이고, N(a)는 대체적으로 탄소인 억셉터 농도이고, 및 N(d)는 잔류 도너 농도, 예를 들면 실리콘이다.
EL2 결함 밀도 및 불순물 제어, 특히 억셉터의 제어는 GaAs내 적당한 반절연 특성을 성취하기 위해 중요하다. 탄소는 주요 부분 및 가장 적당한 억셉터이지만, 그러나, 제어된 탄소의 결합은 어려운 것으로 판명되었다.
LEC에서, 탄소는 주로 두 개의 근원으로부터 도래하였다. (1) 탄소는 원료내 불순물로써 나타나고, 및 (2) 탄소 혼합은 성장하는 동안 열간 흑연노로부터 나타난다. 저항성이 우수한 10Ω7-cm를 가진 반절연 GaAs는 일반적으로 상당한 어려움 없이 LEC에 의해 만들어진다. LEC내에 탄소 제어를 달성하기 위해, 다른 탄소원은 탄산바륨 및 일산화탄소를 통해 연구되었다. 지금까지, CO 사용은 LEC내에 탄소 제어를 이루는데 있어 거의 표준이었다. 그러나, 10Ω7-cm 이하의 저항으로 반절연 특성을 제어하는 것은 LEC가 VGF보다 더 높은 바탕 탄소를 가지기 때문에 LEC에서 매우 어렵다.
HB에서, 석영으로부터 Si 오염의 높은 수준으로 인하여, 상기는 N(EL2) 〉 [N(a) - N(d)] 〉 0 의 조건을 만족시키므로써 반절연 GaAs를 성취하는 것을 거의 어렵게 만든다. 그러나, 반절연 HB재료들은 크롬으로 강제적인 도핑에 의해 이루어질 수 있다.
VGF 및 VB에서, 탄소 수준은 보통 결정체 성장에서, 대략적으로 10Ω14/cm3이하로 보통 낮아진다. VGF 및 VB에서 탄소의 결합은 LEC에서 보다 더욱 어렵고, 및 CO의 사용으로 그 안에 탄소의 결합은 실행되지 않는다. 결정체내에 탄소의 결합은 GaAs내 탄소의 낮은 용해도 때문에 어렵다. 비록 N(EL2) 〉 [N(a) - N(d)] 〉 0 조건이 잔류 도너 농도를 최소화하므로써 만족시킬 수 있지만, 단지 제한된 GaAs의 반절연 특성이 이루어질 수 있다. EL2사이의 낮은 수준의 균형 결과로, 그러한 재료내에 도너 불순물 및 억셉터 불순물은 재료를 쉽게 불안정하게 하기 때문에 바람직하지 않다.
비록 상기는 성장된 VB 및 VGF GaAs 잉곳들과 같이 제한된 반절연 특성을 성취하는 것을 가능하게 하지만, GaAs 잉곳 내부에 제어된 탄소의 결합에 대한 표준 방법은 없고, 특히 높은 탄소 농도, 예를 들면 1016atoms/cm3및 그 이상을 성취하는 것을 가능하게 하였다.
종래 기술에서는 다양한 탄소 화합물, 예를 들면 탄산바륨 또는 일산화탄소의 사용으로 성장하는 동안 GaAs 잉곳의 탄소 도핑에 대한 많은 참고가 있다. T. Kawase 등에 의한 수직 보트 방법에 의한 성장으로써 낮은 전위 밀도 및 낮은 잔류 변형을 가진 반절연 GaAs 로 제목이 붙여진 공지되지 않은 논문에는 GaAs 다결정체 재료로 장입된 pBN 도가니내에 ″탄소원″의 사용으로 GaAs 잉곳내 탄소 결합의 우수한 제어를 성취하는 것을 보고하였다. ″탄소원″이 상기 논문에 증명되지 않았기 때문에, 보고된 결과에는 성취된 방법이 알려져 있지 않고 있다. 유럽 특허 명세서 EP 0 803 593 A1은 발명가로써 T.Kawasa 이름으로 1997년 10월 29일에 공개되었다. 상기 명세서는 다양항 형태의 고체 탄소, 즉, 탄소 분말, 탄소 섬유, 및 산화보론과 결합한 소결된 탄소 블럭을 사용하므로써 GaAs 용융의 탄소 도핑을 기술하고 있다. 가와사에 의해 설명된 것 처럼, 도핑제로써 탄소의 결합 및 정화제로써 산화보론의 역활은 LEC GaAs와 탄소 결합으로 제목이 붙여진 P.J.Doering.t pape에 의한 1984년 논문의 내용과 동등하다. 상기 논문은 1984년에 Malmo Sweden에서 국제 협회에 나타내어졌다. Kawasa에 의해 제안된 다양한 모델들은 모두 물과 산화보론의 출현을 필요로 한다.
본 발명은 단결정체 반절연 GaAs 잉곳들의 성장에 있어서 개선점에 관한 것이다.
도 1은 성장 장입물과 일치한 비교 탄소 도핑의 작용에 대한 몇 개의 GaAs 잉곳의 저항성에 대한 도면이다.
수직 보트 방법에서 본 발명의 개선된 장입물의 사용은, 여기에서 기술된 것 처럼, 낮은 결함 밀도(LDD), 잉곳으로부터 도출된 웨이퍼의 의도된 단부 사용으로 특히 알맞는 전기 특성을 가진 반절연 GaAs를 얻는다.
다결정체 GaAs 재료 첨가로, GaAs 잉곳의 수직 보트 성장을 위한 우리의 개선된 장입물은 잉곳의 목표 전기 특성과 일치하여 선택된 양인 흑연 분말을 구성한다. 본 발명에 따라서, 흑연 분말로부터 탄소는 용강내에 직접적으로 결합된다.
장입물내에 포함된 분말 흑연의 선택된 양의 아주 적은 도핑 전위는 성장된 잉곳내에 탄소 도핑제의 계획된 목표 수준과 비교하여 크다.
본 발명에 따라 성장된 잉곳으로부터 도출된 웨이퍼는 기질내부로 직접 이온 주입을 포함한 후공정 적용을 위해 매우 적당하다.
본 발명은 VGF 및 VB 장치들에서 동등하게 잘 실행될 수 있다.
일례의 방법을 통해, VGF에서, GaAs 잉곳은 적당하게 방향지어진 접종(seed) 결정체 위로 미리 합성된 GaAs 다결정체 재료가 장입된 열분해 질화붕소(pBN) 도가니내에서 성장한다. 상기 pBN 도가니는 폐쇄된 석영관내에 놓인다. 장입 재료 및 접종제의 일부는, 제어된 가열 패턴을 통하여 용융되고, 및 그 후 용융물은 접종 결정체의 방향과 일치하여 단결정체 잉곳을 형성하기 위해 연속적으로 냉각된다. 또한, 선택적으로, 상기 도가니는 그의 성장에 있어서 도가니와 잉곳사이의 스페이서(spacer)로 사용하는 B2O3를 장입되고, 및 접종과 접종사이의 스페이서는 분출하게 된다.
본 발명에 따라서, 흑연 분말은, 탄소의 규정원과 같이, 개선된 장입물을 형성하기 위해 다결정체 GaAs 재료와 서로 결합하여 도가니내에 적재되는 것으로, 도가니는 폐쇄된 석영관내에 놓이고, 및 장입물의 가열은 시작된다. 개선된 장입물내에 포함된 흑연 분말의 양은 성장된 잉곳내에서 탄소의 계획된 목표 수준을 초과하여 실질적으로 공칭 도핑 수준 전위를 제공하기 위해 선택된다. 예를 들면, 대략적으로 1017atoms/cm3의 공칭 C-도핑 수준을 가진 흑연 분말의 양은 성장된 잉곳내에서 1015atoms/cm3의 대략적으로 계획된 목표 수준으로 탄소를 도핑하기 위해 사용된다. 공칭 C 도핑 수준의 다른 높은 값은, 예를 들면, 대략적으로 1018은 목표 탄소 수준, 예를 들면 1016atoms/cm3에 상응하여 얻어진다. 본 발명에 따라서, 반절연 GaAs 잉곳을 성장시키기 위해 GaAs 장입물내에 포함된 분말 흑연의 공칭 도핑 전위 수준은 잉곳내에 결합될 탄소의 계획된 목표 수준 수 배 이상이다.
개선된 장입물은 GaAs 용융물내로 흑연의 분해를 촉진하기 위하여 GaAs의 융점으로 가열되고, 및 상기 온도에서 한 시간 정도 유지된다. 흑연 분말의 많은 양에 의해 GaAs 용융물로 나타내어진 큰 접촉 표면영역은 성장 결정체내 탄소의 연속적인 균일한 결합을 위해 중요하다. 성장하는 동안, 단지 적은 양의 탄소는 결정체내에 결합되고, 및 잔부는 성장이 진행할 때 잉곳의 후미 단부로 해롭지 않게 쏠린다.
성장이 완성되자 마자, 잉곳은 실온으로 냉각되고, 및 과도한 흑연을 포함한 후미의 적은 부분은 절단된다.
도 1은 상기 잉곳들을 위한 장입물내에 포함된 비교 탄소 도핑제의 작용으로써 여기에 기술된 것 처럼 성장된 GaAs 잉곳의 아홉 개 샘플의 저항성에 대한 도면이다. 도 1에 나타낸 것 처럼, 흑연 분말을 포함한 새로운 장입물을 사용하므로써, VGF 성장 GaAs 반절연 재료의 저항성은 106Ω-cm 내지 108Ω-cm까지, 크기의 2차수 이상으로 변하였다.
여기에 기술된 결과들은 특별한 특성들, 예를 들면 입도, 습도등, 및 작동 온도의 특별한 형태의 흑연 분말의 사용을 바탕으로 하였다. 상기는 미세한 또는 조대한 흑연 분말의 사용이 작은 도핑 수준과 얻어진 목표 수준사이의 관계에 영향을 주는 것으로 예측된다. 유사하게, 작동 온도의 다른 형태는 상기 관계에 영향을 줄 수 있다.
본 발명은 그의 바람직한 실시예에 특별한 의도로 기술되어 졌지만, 그러나, 상기는 본 발명의 범주 및 범위내에서 변화 및 변경이 본 발명이 속하는 기술내에서 기술된 것들로 발생되는 것으로 이해되어져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 다결정체 GaAs 재료, 및 탄소원을 구성하고,
    상기 탄소원은 흑연 분말로 이루어지고, 및
    장입물내에 포함된 상기 흑연 분말의 공칭 도핑 전위는 성장된 잉곳내에 탄소 도핑제의 계획된 목표 수준과 비교하여 큰 것을 특징으로 하는 GaAs 단결정체 잉곳의 수직 보트 성장내에 사용하기 위한 장입물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    장입물내에 포함된 상기 흑연 분말의 공칭 도핑 전위는 성장된 잉곳내에서 탄소 도핑제의 계획된 목표 수준의 100배 인 것을 특징으로 하는 장입물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    장입물내에 포함된 상기 흑연 분말의 공칭 도핑 전위는 성장된 잉곳내에서 탄소 도핑제의 계획된 목표 수 배 이상인 것을 특징으로 하는 장입물.
  4. (a) 선택적으로 방향지어진 접종(seed) 결정체위로 다결정체 GaAs 재료 및 탄소원의 장입물을 가진 도가니를 적재하는 단계,
    (b) 폐쇄된 석영관내에 상기 도가니를 놓는 단계,
    (c) 장입물을 용융시키기 위해 제어된 가열 패턴을 적용하고 및 상기 용강이 연속적으로 냉각되도록 일부의 접종 결정체를 단결정체를 형성하기 위해 접종 결정체를 가진 계면에서 시작하는 단계를 구성하는 것으로,
    상기 탄소원은 흑연 분말이고, 및
    상기 가열 패턴은 GaAs의 융점 온도로 상기 장입물을 가열하고, GaAs 용융물내에 상기 흑연 분말의 용해를 촉진시키기 위해 일정 시간동안 상기 온도에서 유지하고, 및 그 후 상기 단결정체를 형성하기 위한 용융물을 연속적으로 냉각시키기 위해 가열 패턴 제어를 구성하는 것을 특징으로 하는 반절연 GaAs 잉곳, 단결정체의 수직 보트 성장.
  5. (a) 선택적으로 방향지어진 접종(seed) 결정체 위로 다결정체 GaAs 재료 및 탄소원의 장입물을 가진 도가니를 적재하는 단계,
    (b) 폐쇄된 석영관내에 상기 도가니를 놓는 단계,
    (c) 장입물을 용융시키기 위해 제어된 가열 패턴을 적용하고 및 상기 용강이 연속적으로 냉각되도록 일부의 접종 결정체를 단결정체를 형성하기 위해 접종 결정체를 가진 계면에서 시작하는 단계를 구성하는 그 안에 탄소의 제어된 계획된 목표 수준을 구비하는 것으로,
    상기 탄소원은 성장된 잉곳내에 탄소의 계획된 목표 수준과 비교하여 한정된 큰 공칭 도핑 전위를 가진 선택된 양의 흑연 분말인 것을 특징으로 하는 반절연 GaAs 잉곳, 단결정체의 수직 보트 성장.
  6. 제 5 항에 있어서,
    장입물내에 포함된 상기 흑연 분말의 공칭 도핑 전위는 성장된 잉곳내에서 탄소 도핑제의 계획된 목표 수준 100배 정도인 것을 특징으로 하는 반절연 GaAs 잉곳, 단결정체의 수직 보트 성장.
  7. 제 5 항에 있어서,
    장입물내에 포함된 상기 흑연 분말의 공칭 도핑 전위는 성장된 잉곳내에서 탄소 도핑제의 계획된 목표 수준의 수 배 이상인 것을 특징으로 하는 반절연 GaAs 잉곳, 단결정체의 수직 보트 성장.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 가열 패턴은 GaAs의 용융온도로 장입물을 가열하고, 및
    일정 시간동안 상기 온도로 유지하는 것을 특징으로 하는 반절연 GaAs 잉곳, 단결정체의 수직 보트 성장.
  9. 선택적으로 방향지어진 접종 결정체위로 다결정체 GaAs 재료 및 탄소원의 장입물을 가진 적재된 도가니와,
    상기 적재된 도가니를 수용하기 위한 폐쇄된 석영관과, 및
    장입물 및 접종 결정체의 일부를 선택적으로 용융시키기 위해 제어된 가열 패턴을 구성하는 가능한 단일 저항체의 범위에서 선택된 단일 저항제를 구비하는 것으로,
    상기 탄소원은 선택된 단일 저항체에 상응하여 성장된 잉곳내에 탄소의 목표 수준과 비교하여 큰 공칭 탄소 도핑 전위를 가진 흑연 분말의 선택된 양이고, 및
    상기 가열 패턴은 GaAs의 용융 온도로 상기 장입물을 가열하고, 및 그 후 상기 단결정체 잉곳을 형성하기 위해 용강이 연속적으로 응고되도록 가열의 패턴을 제어하는 것을 특징으로 하는 반절연 GaAs 잉곳, 단결정체 성장을 위한 수직 보트 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    장입물내에 포함된 상기 흑연 분말의 선택된 양의 공칭 도핑 전위는 성장된 잉곳내에서 탄소 도핑제의 계획된 목표 수준의 대략적으로 100배인 것을 특징으로 하는 반절연 GaAs 잉곳, 단결정체 성장을 위한 수직 보트 장치.
  11. 선택적으로 방향지어진 접종 결정체, 성장된 잉곳내에 탄소의 계획된 목표 수준과 비교하여 한정된 큰 공칭 도핑 전위를 가진 선택된 양인 다결정체 GaAs 재료 및 흑연 분말의 장입물이 적재된 도가니와,
    상기 적재된 도가니를 수용하기 위한 폐쇄된 석영관과,
    가열 원과,
    제어된 가열 패턴을 생성하기 위한 상기 가열 원을 제어하고, 및 단결정체를 형성하기 위한 수단을 구성하는 그 안에 탄소 도핑제의 제어된 계획된 목표 수준을 가진 것을 특징으로 하는 반절연 GaAs 잉곳, 단결정체 성장을 위한 수직 보트 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    가열 패턴을 발생하는 열원을 제어하기 위한 수단은,
    장입물 및 일부 접종 결정체를 용융하기 위한 수단과,
    GaAs 용융물내에 상기 흑연 분말의 용해를 촉진시키기 위해 일정 시간동안 장입물의 용융 온도를 유지하는 수단과, 및
    그 후 상기 결정체를 형성하기 위해 용융물이 연속적으로 응고되도록 가열 패턴을 제어하기 위한 수단을 구성하는 것을 특징으로 하는 반절연 GaAs 잉곳, 단결정체 성장을 위한 수직 보트 장치.
  13. 제 5 항, 6항, 7 항 및 8 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 반절연 단결정체 GaAs 재료.
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