生長半導體晶體的裝置的製作方法

2023-12-02 11:27:11

專利名稱：生長半導體晶體的裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及III - V，II - VI族及相關單晶化合物生長的領域，更具體的說，涉及以堅固支座、碳摻雜和電阻率控制以及熱梯度控制來生長半導體晶體的方法和裝置。
背景技術：
電子和光電器件製造廠商常規上需要以商業方式生長的、大且均勻的獨立的半導體晶體，其經過切片和拋光處理後供作用於微電子器件生產的基片。半導體晶體的生長包括將多晶原材料加熱到其熔點(超過1，2000C )，再使其熔體與高質量的籽晶接觸並使該熔體結晶。這樣就在多晶原材料中沿著籽晶的垂直方向形成基本柱狀的晶體。生成半導體晶體的必要裝置包括晶體生長爐、安瓿、坩堝和坩堝支座。坩堝具有一下面比較窄的部分，稱為籽晶井(seed well)。常規的晶體生長工藝和晶體生長裝置存在著幾個問題。首先，象碳這類摻雜物的受控摻加(controlled incorporation)在半導體晶體如半絕緣GaAs物質的成功生長中常常是一個關鍵因素。但用於生長半導體晶體如GaAs的常規技術已被證明難以實現碳的受控摻加。這些技術一般涉及通過將含碳摻雜物放入GaAs的熔體並與溶化的爐料接觸來進行GaAs的摻雜。其次，晶體的生長裝置必須能夠承受極高溫度。此外，設備的各個組成部分必須具備穩定性和強度，以便固定坩堝並保持在穩定情況下生長晶體——儘管在晶體生長期間系統中常存在極大的擾動和對流的情況。晶體生長裝置的任何移動、破裂或者某個組成部分的運動都會導致爐料部分或全部損失。在提供熱保護和穩定性的同時，坩堝支座不應實質上阻礙熱傳遞到坩堝。事實上，坩堝內溫度梯度的精確控制對於很多晶體生長技術而言都是基本原則，而且坩鍋支座不應妨礙或阻止坩堝爐料的加熱。在生產將提供具有均勻電特性基片的晶體時，重要的是對溫度梯度的控制，因為它將影響到晶體生長過程中固體和熔體分界面的平滑性。為提供具有均勻電特性的基片， 固體和熔體分界面應儘可能平滑。但因為裝置和爐料的外側部分遠比中心部分冷卻得快， 故難以保持平滑的分界面。舉例來說，固態的GaAs在高溫下具有較低的熱導率(0.7W/ cm ·Κ)，這就使其難以保持液態和固態分界面的平面度，進而會令其晶體生長率較低。因為固態和液態的GaAs相對於坩鍋來說均具有較低的熱導率，所以對於在圓錐形的過渡區域中確定分界面的形狀而言，沿著晶錠周邊由坩堝傳來的熱量就變得更加重要。由於晶體朝向籽晶井收縮而可用於軸向熱傳導的截面遞減，故徑向上的溫度梯度遞增而固體和熔體的分界面變成是凹面。因此需要有一種方法，用以減小坩堝支座中的這種徑向熱損耗，從而恰在籽晶井上形成一個平滑的固體和熔體的分界面。除非在整個坩堝下面的狹窄部分均有受控的溫度梯度，否則在該過渡區域內易於形成核化缺陷(nucleation defect)、位錯簇(dislocation cluster)、線狀腐蝕坑、多晶和雙晶缺陷。在坩堝的下面部分產生的問題將隨著結晶過程而通過晶體擴散到整個爐料中。 另一方面，如果高質量的晶體成功地生長進入坩堝的較大半徑部分，則缺陷晶體形成的可能性就會較低。因此，控制摻加摻雜物的能力、溫度控制的質量、控制垂直溫度梯度變化以及在裝置底部附近使等溫線保持平滑的能力將直接影響到整體晶體質量和晶體產量。本產業中在坩堝支座和溫度控制梯度方面運用了大量解決方案。許多常規的坩堝支座解決方案涉及一種固體的陶瓷結構，該結構可以開孔以便通過對流或者傳導來增強熱傳遞。一般來講，固體的陶瓷坩堝支座提供了有效的熱絕緣，但在坩堝的底部僅有不良的溫度控制。在強度和穩定性方面的要求啟發人們需要有一種固體結構的同時，加熱爐在坩堝籽晶井區中的加熱需求又導致有其他考慮。固體陶瓷結構先天就是不穩定的，這是因為隨著其膨脹和收縮，它會開裂或者移動。另外，坩堝支座不應該阻止熱能流向原材料和晶體熔體。故需要固體的坩堝支座，是為了通過傳導而使熱從加熱爐的加熱部件傳遞到安瓿及其內含物。不幸的是，在高溫時難以控制傳導加熱，且實際上對於根據需要而以很多晶體生長技術來產生精確平面的溫度梯度而言，是事與願違的。同樣，籽晶井的對流加熱也不利於控制籽晶井溫度，其結果是損害了坩堝過渡區溫度梯度的精度。一些強調以氣體對流傳熱的常規坩堝支座技術用多個陶瓷環和襯墊組成坩堝。與固體坩堝支座設計有損於溫度控制相同，基於以氣體或流體對流加熱的技術同樣不能解決大多數晶體生長技術、例如垂直梯度凝固(VGF)技術的特定溫度梯度控制的要求。常規基於對流和傳導加熱技術的方案不能既提供籽晶井的精確受控加熱，又提供適於大批量晶體生產的可靠的物理穩定性。

發明內容
本發明從多個方面涉及在堅固的坩堝支座、碳摻雜、電阻率控制和溫度梯度控制下的III-V、II-VI族及其相關單晶化合物的生長。在一個實施例中，在控制摻加作為摻雜物的碳的條件下生長半絕緣砷化鎵(GaAs)材料。設置具有籽晶區/井的坩堝以及具有下部區域和上部區域的安瓿。籽晶放在坩堝內的籽晶區/井中。GaAs原料和氧化硼(B2O3)材料放到坩堝中。然後將裝有籽晶、砷化鎵原料和化03材料的坩堝放入到安瓿中，而在該坩堝之外的安瓿下部區域中提供固態的碳物質。在真空下封閉裝有固態碳物質和坩堝的安瓿。 封閉後的安瓿以一種可控的方式加熱而使得GaAs原料熔化。固態碳物質與熱交互作用而產生一種含碳氣體，該氣體通過氏03材料與熔化的GaAs相互作用。該封閉安瓿以一種可控方式冷卻。在另一實施例中，設置一種坩堝支座用於晶體生長，該坩堝支座提供足夠強度和穩定性，以便在整個急劇加熱期間在加熱爐中容納安瓿及其內含物。這樣就能進行精確的籽晶井溫度控制。其例如實現了一種對VGF系統中的石英安瓿的穩定支撐，而同時又可通過控制熱輻射來精確控制籽晶井溫度。在一個實施例中，所述設置坩堝支座的方法包括在 VGF晶體生長爐中的底層上設置一種堅固薄壁的圓筒；在該圓筒的內部填充一種低密度的絕緣物質；在該低密度絕緣物質的中心設置一種軸向中空的芯；安放封閉的安瓿，其內部在上述圓筒的頂部為一坩堝，使得上述軸向中空的芯容納安瓿的籽晶井而使得該安瓿受到圓筒支撐。


圖1展示了一個系統100，該系統根據本發明的一個示範性實施例而提供在垂直梯度凝固(VGF)的GaAs晶體生長中的非接觸碳摻雜和電阻率控制，其中以石墨塊進行碳摻
ο圖2展示了一個系統200，該系統根據本發明的一個示範性實施例而提供在垂直梯度凝固(VGF)的GaAs晶體生長中的非接觸碳摻雜和電阻率控制，其中以石墨粉進行碳摻
^k ο圖3展示了一個系統300，該系統根據本發明的一個示範性實施例而提供在垂直梯度凝固(VGF)的GaAs晶體生長中的非接觸碳摻雜和電阻率控制，其中以石墨粉和石墨塊進行碳摻雜。圖4展示了一個系統400，該系統根據本發明的一個示範性實施例而提供在垂直梯度凝固(VGF)的GaAs晶體生長中的非接觸碳摻雜和電阻率控制，其中以石墨罩進行碳摻
^k ο圖5展示了一個系統500，該系統根據本發明的一個示範性實施例而提供在垂直梯度凝固(VGF)的GaAs晶體生長中的非接觸碳摻雜和電阻率控制，其中以石墨棒進行碳摻
^k ο圖6展示了一個垂直梯度凝固(VGF)晶體生長系統的剖視圖，該系統具有根據本發明的一個示範性實施例而構造的坩堝支座。圖7展示了一個根據本發明的一個示範性實施例構造的坩堝支座的透視圖。
具體實施例方式本發明的示範性實施例一般而言涉及在具有堅固支座、摻雜和電阻率控制及溫度梯度的條件下生長III - V、II - VI族以及相關單晶化合物。利用GaAs的VGF生長作為說明示例，以下描述在VGF生長過程的碳摻雜和電阻率控制方法的實施例，以及在VGF生長爐中設置坩堝支座方法的實施例。VGF涉及晶體生長技術、裝置和過程工藝，用以生長具有非常高結構均勻性和低缺陷密度的大型單晶體晶錠。在一個實施例中，晶錠基本為圓柱形，其直徑大於4英寸，長度大於6英寸。這種基本圓柱形的晶體是沿著一條與籽晶垂直的方向生長的，籽晶處於多晶原料下。在一個實施例中，在半絕緣GaAs中的電阻率和碳含量的控制是通過將摻雜物質放置在生長用坩堝之外而不與熔化的爐料接觸來實現的。由於摻雜物質與熔體或坩堝的內壁是分開的，這種工藝有利於獲得高單晶生長產量。
以下參考圖1-5闡述一種根據本發明的各示範性實施例的處理，其用於實現半絕緣GaAs物質生長中碳的受控摻加。1.提供碳摻雜源。這些摻雜劑例如包括圖1中的石墨塊105、圖2中的石墨粉205、 圖3中的石墨塊105和石墨粉205、圖4中的石墨罩405、圖5中的石墨棒505和/或其他
高純度石墨碎塊。2.在圖1-5中，與通常的VGF生長相同，最初的混合GaAs原料110裝入到熱解氮化硼(pyrolytic boron nitride, PBN)坩堝115中，在坩堝115中還放入一些氧化硼 (B2O3) 120。3.上述的各種碳摻雜源一般置於石英安瓿130的下端125的各個位置上，如圖 1-5所示。然後將放有GaAs爐料110的PBN坩堝115裝入到石英安瓿130中。4.然後將裝有摻雜劑、PBN坩堝115、GaAs爐料110和氧化硼(B2O3) 120的石英安瓿130抽真空並在真空下密封。5.通過熔化爐料110，然後控制液體-固體分界面使之從位於氮化硼坩堝115的底端的籽晶井一直移動到爐料的末端，而生長出晶體。6.半絕緣GaAs的電阻率和碳含量可以通過摻雜劑105的使用量和摻雜劑的溫度加以控制。在圖1-5中，碳摻雜源與氧中發生反應，其中氧得自於氧化硼( )的分解，如 N. Sato，M. Kakimoto 禾口 Y. Kadota 在論文「The carbon and boron concentration control in GaAs crystals grown by liquid encapsulated Czochralski method，，中所述，該論文發表於 Semi-insulating III-V Materials，Toronto，Canada，1990 IOP Publishing Ltd. (1990)pp. 211-219。這種反應產生一氧化碳(CO)和其他含碳氧化物，它們被有效地封閉在石英安瓿130內。石英安瓿130在GaAs晶體生長的溫度範圍內(在本示例中低於攝氏 1400度)不會明顯分解。這些碳氧化物可被移送通過氧化硼(B2O3) 120，如W. M. Higgings, R. M. Ware, Μ. S. Tiernan, K. J. 0' Hearn R D. J. Carlson ^i^i； "Active control of the electrical properties of semi-insulating GaAs，，中所述，i亥論文發表於 J. Crystal Growth 174 (1997) pp. 208-212，導致碳摻加到GaAs的爐料110中。所用碳摻雜劑越多、碳摻雜劑的溫度越高，則反應越明顯，從而GaAs的碳摻雜等級和電阻率也就越高，最高達到最大本徵值。這種無接觸的碳摻雜方式能夠被用於可重複地獲得GaAs的半絕緣特性，所得電阻率範圍從低於1 X IO6到1 X IO8 Ω -cm,遷移率高於6000cm2/V. S。這項技術也可應用於密封條件下諸如垂直布裡奇曼(Vertical Bridgeman, VB)這樣的其他生長技術。圖6展示了一種垂直梯度凝固(VGF)晶體生長系統的剖視圖，該系統具有根據本發明的一個實施例構造的坩堝支座2000。圖1-5所示的任何一種坩堝-安瓿的組合或其他類型的坩堝-安瓿組合均可置於坩堝支座2000上。所示坩堝支座2000處於VGF爐1000 中。坩堝支座2000對安瓿4000提供物理支撐並允許對它和它的內含物進行溫度梯度控制， 其內含物包括原料(未示)、籽晶(未示)和坩堝3000。在一個實施例中，坩堝3000 (在該坩堝內原料熔化且晶體生長)為PBN結構，其具有圓柱形晶體結晶區3010、較小半徑的籽晶井圓筒3030、及錐形的過渡區3020，晶體生長區3010在坩堝3000的頂部是敞開的，並具有等同於所希望的晶體產品直徑的直徑。當前的工業標準圓片直徑是4到6英寸。在坩堝3000的底部，籽晶井圓筒3030具有封閉的底部，以及略大於高質籽晶例如約6-25mm的直徑和約為30-100mm的長度。也可採用其他尺寸。主要的晶體生長區3010和籽晶井圓筒3030可以具有直壁，或者向外有約1度到幾度的錐度以便於從坩堝3000中取出晶體。位於生長區3010和籽晶井圓筒之間的錐形過渡區 3020具有帶角度、傾斜約45度的側壁，其較大端的直徑與生長區側壁相等並與之連接，較小端直徑則與籽晶井側壁相等並與之連接。該帶角度的側壁也可傾斜大於或小於45度。在被置入VGF晶體生長爐1000之前，坩堝3000裝入原料，蓋上坩堝罩3040並放入安瓿4000中。安瓿4000例如可以由石英製成。安瓿4000具有形狀與坩堝3000相似。 它在籽晶生長區4010是圓柱形，而在其籽晶井區4030是具有較小直徑的圓柱形，並具有介於上述兩區之間的過渡區4020。坩堝3000被裝配到安瓿4000之中，它們之間有一狹窄空隙。安瓿4000在其籽晶井區403的底部是封閉的，與坩堝相同，而且在坩堝和原料裝入之後，其頂部也被封閉。安瓿4000的底部具有與坩堝3000相同的漏鬥形狀。因為安瓿和坩堝相結合具有漏鬥外形，故要求坩堝支座2000能容納這種漏鬥形狀並使安瓿在VGF爐1000中保持穩定和直立。在另一實施例中，安瓿和坩堝的結合可保有一種不同形狀，而坩堝支座2000的基本結構也可對應加以變化，以適應該不同形狀。根據本發明的一個實施例，安瓿和其內含物質的穩定性和強度是由坩堝支座2000的堅固的薄壁圓筒2050來提供的。該堅固的薄壁形圓筒2050容納安瓿4000結構的漏鬥形端部。在一個實施例中，坩堝支座圓筒2050是由導熱材料製成的，該材料最好是石英。在其他實施例中，還可使用碳化矽和陶瓷製成坩堝支座圓筒2050。圓筒2050在圓形周邊上與安瓿4000 接觸，其中圓筒2050的上邊沿與安瓿的錐形區域4020的肩部相接。這種結構使得固體對固體的接觸最少，這確保了只會發生極少的(或完全沒有)不希望的且相對不可控制的熱傳導。因此能夠以其他更易控制的方法產生熱。如陶瓷纖維這樣的低密度絕緣材料2060填充坩堝支座圓筒2050的大部分內部空間，僅在絕緣材料2060的中心留有一個軸向中空的芯2030，該芯中空是為了容納安瓿4000 的籽晶井4030。在其他實施例中，低密度絕緣材料還可以包括氧化鋁纖維(1800°C)，氧化鋁-氧化矽纖維)和/或氧化鋯纖維(2200°C )。絕緣材料2060被小心放置於坩堝支座2000中，當安瓿4000安放在圓筒2050的頂部時，其重量將絕緣材料2060壓實而形成傾斜的絕緣材料邊沿2020。以低密度絕緣體填充圓筒中的大部分內部空間減少了氣體流動，這確保只會產生極少的(或者完全沒有)不希望的和相對不可控制的熱對流。與熱傳導相同，熱對流是一種不可控的傳熱方式，其作用有損於VGF和其他晶體生長方法。在圖6所示的實施例中，中空的芯2030具有約等於安瓿的籽晶井4030的直徑，它在安瓿籽晶井4030的底部之下向下延伸一小段距離。在另一實施例中，中空芯2030穿透坩堝支座，從籽晶井的底部延伸到加熱爐1000的底部。中空芯2030為晶體的中心提供了一個冷卻通道。它有助於籽晶井和生長中的晶體的中間部分的冷卻。利用這種結構，熱能可向下通過固態晶體和籽晶的中心，再向下通過坩堝支座2000內的絕緣材料2060中的中空芯2030而逸出。若沒有中空芯2030，冷卻中的晶錠中心的溫度自然就會高於更接近外部表面的晶體材料。在這種情況下，在任何水平剖面中晶錠中心的結晶都會遲於其已結晶的周邊。在上述條件下，無法生長出具有均勻電特性的晶體。而在坩堝支座中採用中空芯2030這種創新的方法，就使熱能向下傳導，穿過安瓿4000的底部和中空芯2030再由此輻射回輻射通道 2070外面。重要的是從生長中的晶體中心減少熱能，從而使等溫線在整個晶體上保持平滑。 保持平滑的晶體-熔體分界面就使得能生長出具有均勻的電特性和物理特性的晶體。圓筒2050內的低密度絕緣材料2060阻礙熱流從爐中加熱元件1010輻射到籽晶井區4030中的安瓿4000，因此本方法要求製造多個穿透絕緣材料2060的水平的輻射通道 /開口 /溝道2070。穿透絕緣材料2060的輻射通道2070提供了熱輻射出口，從而可以控制熱量從爐的加熱元件1010傳導到安瓿籽晶井4030。輻射通道2070的數量、形狀和直徑依據特定情況而變。輻射通道也可以是傾斜的，彎曲的或者是波浪型的。輻射通道不必一定是連續的，因為它們也可以僅部分地穿透絕緣材料2060。這將有助於使對流傳熱減到最小。在一個實施例中，這些通道的直徑小到接近於鉛筆寬度，使得氣體對流很小。根據本發明的其他實施例，也可以利用較大孔洞，其截面積約為1平方英寸或更大。穿透絕緣材料2060的輻射通道2070也與絕緣材料2060中心的中空芯2030結合，起到使熱能從晶體中心輻射出來並冷卻晶體而具有平滑等溫線的作用。輻射通道2070能使溫度得到控制並且直接與晶體的產量相關。圖7展示了根據本發明構造的坩堝支座2000的透視圖。坩堝支座2000的外部視圖展示出支座圓筒2050、支座圓筒2050的上邊沿2100、窗口 2080、絕緣材料2060和中空芯2030。支座圓筒2050對於安瓿構件(圖中未示)提供了支撐而與安瓿僅有最少接觸。 支座圓筒2050的上邊沿2100與安瓿在圓形周邊上接觸，所以熱傳導很小。圓筒還對氣流形成障礙，阻止了否則的話可能會在輻射通道(圖中未示)中出現的通到窗口 2080的熱對流，同時並不阻擋熱輻射。在其他實施例中，窗口 2080還是輻射通道的末端。對於坩堝支座2000內的熱對流而言，輻射通道的小直徑是又一障礙。所以，用支座圓筒來支撐所述支座安瓿及其內含物，在支座圓筒中除了其中心的芯以外都填充以低密度絕緣材料，以輻射通道穿透該絕緣材料以便能在晶體的生長過程中進行溫度梯度控制，從而實現了在晶體生長不同階段的受控加熱和平滑的溫度梯度。這種溫度控制對VGF和其他類型的晶體生長是十分重要的，這是因為在建立和控制坩堝過渡區內的溫度梯度時，重要的是同時在坩堝的晶體生長區和籽晶井中均有溫度控制。對VGF和其他類型晶體生長方法的單晶產量來說，坩堝過渡區內的精確溫度控制是十分必要的。由於本發明的方法中使熱傳導和熱對流達到最小化，所以根據本方法，VGF中將熱能從爐加熱元件傳遞到籽晶井的任務就主要交給了熱輻射。在晶體生長爐大約從幾百度一直到1200°C的溫度範圍內，熱輻射是一種最有效的熱傳遞方式，而且熱輻射是加熱安瓿和爐料的最理想方式，這是因為無論與熱對流或熱傳導相比，它都可以受到更為精細的控制。 在這種結構中所運用的支座圓筒對於熱輻射是可穿透的，所以支座圓筒並不阻礙輻射方式的熱傳遞，儘管其同時還作為固體阻礙物有利於減少氣體對流。考慮到上述方法特點和改進的綜合作用，本發明的實施例包括坩堝支座技術，所述技術對於VGF安瓿、坩堝和爐料的高度穩定性起到有利作用，同時能實現安瓿籽晶井的有效而精確的溫度控制。應強調的是，上述的本發明實施例僅為可能的實施方案示例，提出它們是為便於清楚理解本發明的原理。這些例子不是窮舉性的或是用來將本發明限制到所公開的特定形式。對本發明的上述實施例可進行的變化和改動而不脫離本發明的精神和原理。例如，其他以類似或等效於VGF生長過程的方式產生III- V、II -VI族及其相關單晶化合物的晶體生長方法也可利用所述的碳摻雜和電阻率控制的各實施例和/或帶有溫度梯度控制的堅固支座的各實施例。所有這樣構想出的變化和改動均應包括在本發明的範圍之內並受所附權利要求書的保護。
權利要求
1. 一種支撐裝置，包括位於VGF晶體生長爐底部的堅固的圓筒，所述堅固的圓筒填充以一種低密度絕緣材料，在該低密度絕緣材料的中心形成有一個軸向中空的芯，該軸向中空的芯被成形為用於容納一個安瓿的籽晶井。
全文摘要
本發明涉及一種生長半導體晶體的裝置。在封閉安瓿的堅固支座、碳摻雜和電阻控制、及溫度控制條件下，在晶體生長爐中生長Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族及其相關單晶化合物。支座圓筒對於組合的封閉的安瓿和坩堝組件提供了支撐，同時該支座圓筒內的低密度絕緣材料阻礙了傳導和對流加熱。穿透低密度材料的熱輻射通道對於熱輻射進出坩堝的籽井和過渡區提供了路徑。在絕緣材料中的中空的芯直接位於籽井的下方，為生長中的晶體的中央提供了冷卻，其確保了晶體結晶塊均勻而平滑地生長，同時還保證了晶體和熔體分界面的平滑，進而產生具有均勻電特性的圓片。
文檔編號C30B29/42GK102220628SQ20111014430
公開日2011年10月19日 申請日期2002年7月3日 優先權日2001年7月5日
發明者W·G·劉, X·G·劉 申請人:Axt公司, 北京通美晶體技術有限公司