[发明专利]具有坚固支撑、碳掺杂、电阻率控制和热梯度控制的半导体晶体生长的方法和装置

说明书

技术领域

相关申请的参考

本申请要求2001年7月5日提交的申请号为 60/303,189的美国临时申请的优先权，该申请名称为《在砷化镓生长中的非接触碳掺杂和电阻率控制》，在此以参考的方式并入该申请的全部内容。

本发明一般涉及 Ⅲ-Ⅴ，Ⅱ-Ⅵ 族及其相关单晶化合物生长的领域，更具体的涉及具有坚固支撑、碳掺杂、电阻率控制和热梯度控制的半导体晶体生长的方法和装置。

背景技术

电子和光电仪器设备制造厂商的常规商业需求在不断增长，经过刨切和抛光处理后的大块均匀的单半导体晶体为微电子仪器的生产提供了基片。一个半导体晶体生长的过程包括将多晶原材料加热至熔点（超过1,200℃），再使熔体与高质籽晶相互接触，然后使熔体结晶，从而在多晶原材料的下面沿着籽晶的垂直方向上形成一个柱状的晶体。生成半导体晶体的必要装置包括一个晶体生长炉，一个安瓿瓶，一个坩埚和一个坩埚支撑。坩埚下面较窄的部分称为籽井。

在以往的晶体生长工艺和装置中存在着几个问题。首先，像碳这类掺杂物的掺杂控制在半导体晶体如半绝缘GaAs物质的成功生长中常常起到关键性的作用。然而以往的半导体晶体如GaAs的生长技术已经证明很难获得可以控制的碳掺杂。这些技术一般包括把含碳掺杂物放入GaAs熔体中并且与热装料相互接触来实现碳掺杂。

其次，晶体的生长装置必须能够承受住极高的温度。此外，设备的各个组成部分要坚固结实能够承载坩埚；尽管在晶体生长的过程中系统中常存在极大的扰动和对流，晶体的生长必须是静止的。任何的移动，装置的破裂或者晶体生长装置一个组成部分的移动都会导致装料部分或者是全部损失掉。在提供热保护和坚固的同时，坩埚支撑部分不应该阻碍热传递到坩埚。事实上，在很多的晶体生长技术中，精确控制坩埚内温度和坩锅支撑部分不应阻碍坩埚装料的热传递都是一个基本原则。

在生产可以得到具有均匀点特性的晶体时，温度梯度的控制十分重要，因为温度梯度将影响到晶体生长过程中固体和熔体交接面的平滑性。为得到具有均匀电特性的基片，固体和熔体交接面越平滑越好。但是因为装置和装料的靠外部分比中心部分冷却的快，所以很难保持交接面的平滑性。比如说，在高温下，固态的GaAs具有一个比较低的热导率(0.7W/cm.K)，这就使液态和固态交接面很难保持平滑性，进而使它具有较低的晶体生长率。因为固态和液态的GaAs相对于坩锅来说具有比较低的热导率，所以坩埚沿着晶体外围传来的热对于圆锥形的传热区域里交接面的形状具有更重要的作用。由于晶体的颈部向下对着籽井并且在交界部分轴向的热传导递减，径向的热梯度递增，所以固体和熔体的交接面呈中凹。因此，需要一种能减小坩埚支撑径向的热损耗的方法以便在籽井的上面形成一个平滑的固熔体交接面。

如果不能通过坩埚下面窄小部分占优势的热梯度得到控制，那么在传热区域里很容易形成非内裂缺陷、错位簇、线形腐蚀坑、多晶和双晶。在坩埚的下面部分形成的这些问题将影响结晶的过程，进而影响晶体的生长。另一方面，如果高质量的晶体生产过程延伸到坩埚较大半径处，那么生成缺陷晶体的可能性就会降低。因此，掺杂物的掺杂控制能力，温度控制的质量，控制垂直温度梯度变化和保持装置底部附近的等温线平滑的能力将直接影响到全部的晶体的质量和产量。

就坩埚支撑和温度控制梯度而言，其解决方案在工业上被广泛应用。传统的坩埚支撑解决方案包括使用一个固体的陶瓷支撑，这个支撑可以通过对流或者传导来增强热传递。一般来讲，固体的陶瓷坩埚支撑能够提供有效地热绝缘，但是在坩埚的下部不利于温度的控制。虽然坩埚所需要的牢固性和稳定性要求支撑部分必须是一个坚实的结构，在坩埚籽井区域对加热炉加热方面还需要考虑一些其他的情况。由于固体陶瓷结构的坩埚支撑结构在膨胀和收缩时会裂开或者移动，所以这样的支撑具有固有的不稳定性。进一步讲，坩埚支撑不应该阻止热能流向原材料和晶体熔体。一个固体的坩埚支撑需要能够把热从加热炉的加热部分传递到安瓿瓶，并且主要是通过传导来传递热量。让人遗憾的是，在高温时很难控制热传导，并且在实际操作中，热传导对提高精确度是起反作用的，很多的晶体生长技术需要平滑的温度梯度。

同样，籽井的对流加热也不利于籽井温度控制，导致坩埚区域的温度控制精度降低。传统的坩埚支撑技术着重于利用空气对流实现传热递，所以传统的坩埚支撑是由许许多多的陶瓷环和定位片组成的。如同坚固的坩埚支撑设计会影响温度控制，基于气体或流体对流加热的技术同样不能解决大多数晶体生长技术中对特定温度控制的要求，例如垂直梯度凝固技术(VGF)。