CN109881253B

CN109881253B - 半导体晶体的生长装置及方法

Info

Publication number: CN109881253B
Application number: CN201910088988.4A
Authority: CN
Inventors: 王金灵; 廖彬; 周铁军; 刘留
Original assignee: First Semiconductor Materials Co ltd
Current assignee: First Semiconductor Materials Co ltd
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN109881253A

Abstract

本发明涉及一种半导体晶体的生长装置，该装置包括一炉体，炉体包括一支撑平台、垂直固定于支撑平台上的一支撑杆、一加热室，加热室形成封闭的一圆柱形空腔，支撑杆上开设一架设孔，该装置还包括位于空腔内的一环形加热器、一石英管、一籽晶、一碳帽、一第一PBN坩埚、一第二PBN坩埚以及一石英帽，石英管架设于支撑杆上；石英管包括一石英嘴以及沿石英嘴向上延伸的一石英筒，石英筒包括第一段、第二段以及连接第一段和第二段的过渡段，第一段、第二段呈直筒状且第一段和第二段的中心轴线为同一竖直线，过渡段为弧形状，第二段的直筒半径大于第一段的直筒半径。

Description

半导体晶体的生长装置及方法

技术领域

本发明涉及一种半导体材料制备领域，尤其涉及一种半导体晶体的生长装置及方法。

背景技术

GaAs具有高的电子迁移率、直接带隙、较宽的禁带宽度等优良的电学性能，在光电子和微电子领域得到了广泛的应用。微电子超高速电路需要高电阻（大于107 Ω·cm）的半绝缘GaAs单晶。一般来说，高纯的GaAs本身具有半绝缘性，但由于制备工艺复杂、成本高，工业生产根据补偿机理来制备高电阻的半绝缘GaAs单晶。

液封直拉法（LEC）生长的半绝缘砷化镓（Si-GaAs）单晶被广泛用于微波器件和高频集成电路的衬底材料。随着器件和电路向更大功率、更大集成度方向发展，对材料衬底的均匀性、微区均匀性提出了更高的要求。而非掺LEC法生长的Si-GaAs单晶中的高密度位错，往往形成胞状结构；其他杂质和点缺陷的形成与分布与该结构密切相关，并导致GaAs材料电学和光学特性的不均匀。

而随着GaAs单晶生长工艺的不断发展，所采用的补偿机理在不断变化。在PBN坩埚坩埚取代石英坩埚后，硅沾污大量减少，因此，非掺杂即可获得稳定的半绝缘GaAs单晶。一般研究认为非掺杂半绝缘GaAs单晶的半绝缘特性是由于晶体中的深能级陷阱EL2能级和浅受主杂质C的补偿平衡而造成。因此，控制C浓度成为获得半绝缘GaAs单晶的重要因素，也是其技术难点，要想获得高电阻半绝缘GaAs单晶，C浓度一般要在1-3×10¹⁵cm^-3左右。

如果按照每炉2寸GaAs计算，需要多晶料大约为2Kg，理论C需求量为0.05mg，现在生产中使用的方法是通过高精度的天平称量来实现定量，操作极其不易。而且，C在GaAs中的分凝系数大于1，C倾向于在固态晶体中存在，因此在晶体中C沿轴向分布不均，尾部C浓度低，补偿度不足，载流子浓度急剧增加，易于出现低电阻。

现在常用的VGF法是向GaAs多晶料预先掺C，采用如图1所示的半导体晶体生长装置100，该装置100包括一炉体110，炉体110包括一支撑平台111、垂直固定于支撑平台111上的一支撑杆112、一加热室113，加热室113形成封闭的一圆柱形空腔114，支撑杆112上开设一架设孔112a，该装置100还包括位于空腔114内的一环形加热器120、一石英管130、一籽晶140、一碳帽150、一第一PBN坩埚 160、一第二PBN坩埚 170、一石英圈180以及一石英帽190，石英管130架设于支撑杆112上。加热器120采用多区加热器。

石英管130包括一石英嘴131以及沿石英嘴131向上延伸的一石英筒132，所述石英嘴131插入架设孔112a内，所述石英嘴131下端连接籽晶140，籽晶140悬空位于架设孔112a内，第一PBN坩埚 160、石英圈180、第二PBN坩埚 170、石英帽190均位于石英管130内且第一PBN坩埚 160、石英圈180、第二PBN坩埚 170、石英帽190自下而上依次连接，石英圈180焊接于第一PBN坩埚 160上端且对第二PBN坩埚 170形成支撑，石英帽190焊接于第二PBN坩埚上端。

石英圈180上开设一透过孔181，第二PBN坩埚 170的下端向下贯穿透过孔181使得第一PBN坩埚 160与第二PBN坩埚 170连通。

碳帽150垫设于石英嘴131和架设孔112a之间，碳帽150作为C掺杂的碳源。

第一PBN坩埚 160内盛放有氧化硼固体161。

第一PBN坩埚 160和第二PBN坩埚 170内盛放有砷化镓多晶料。第二PBN坩埚 170内的多晶料熔化后沿着竖直方向流入第一PBN坩埚 160内，在籽晶的引导作用下生长为单晶。

上述装置100存在的技术问题在于：在石英管-PBN坩埚系统下采用垂直梯度凝固工艺，很难实现气氛掺杂：首先是整个生长系统中没有与C接触，其次是石英管是为晶体生长提供一个高真空环境而设计的，石英管的结构无法满足气氛掺杂的要求。

所以，有必要设计一种改进的半导体晶体生长装置及方法以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种改进的半导体晶体生长装置及方法。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：一种半导体晶体的生长装置，该装置包括一炉体，炉体包括一支撑平台、垂直固定于支撑平台上的一支撑杆、一加热室，加热室形成封闭的一圆柱形空腔，支撑杆上开设一架设孔，该装置还包括位于空腔内的一环形加热器、一石英管、一籽晶、一碳帽、一第一PBN坩埚、一第二PBN坩埚以及一石英帽，石英管架设于支撑杆上；石英管包括一石英嘴以及沿石英嘴向上延伸的一石英筒，石英筒包括第一段、第二段以及连接第一段和第二段的过渡段，第一段、第二段呈直筒状且第一段和第二段的中心轴线为同一竖直线，过渡段为弧形状，第二段的直筒半径大于第一段的直筒半径。

作为本发明的进一步改进，所述第一PBN坩埚内置于第一段内，第二PBN坩埚内置于第二段内，且第二PBN坩埚的锥部卡设于过渡段并向下凸伸入第一PBN坩埚上端。

作为本发明的进一步改进，所述碳帽垫设于过渡段和第二PBN坩埚的锥部之间。

作为本发明的进一步改进，所述石英嘴插入架设孔内并与架设孔贴合，所述第一PBN坩埚的锥部连接籽晶，所述籽晶悬空位于石英嘴内。

作为本发明的进一步改进，所述第一PBN坩埚、第二PBN坩埚、石英帽均位于石英管内且第一PBN坩埚、第二PBN坩埚、石英帽自下而上依次连接。

作为本发明的进一步改进，所述石英帽焊接于第二PBN坩埚上端使得第二PBN坩埚封闭。

本发明同时提出一种半导体晶体的生长方法，其包括如下步骤：

S1、将籽晶固定于第一PBN坩埚的锥部，将氧化硼固体放入第一PBN坩埚内；

S2、将第一PBN坩埚放入石英筒的第一段内；将碳帽套设于第二PBN坩埚的锥部，然后卡设于石英筒的过渡段内；

S3、将GaAs多晶料放入第二PBN坩埚内，将第二PBN坩埚放入石英筒的第二段内，将石英帽盖合于第二PBN坩埚上端，抽真空后，用氢氧焰焊接石英帽和第二PBN坩埚；

S4、将焊接后的第二PBN坩埚放入石英筒的第二段内，开启加热器，GaAs多晶料熔化，在重力的作用下，液态的GaAs多晶料从第二PBN坩埚流入第一PBN坩埚内，在籽晶的引导并进行单晶生长，同时碳帽在高温下逸出C，进行气氛C掺杂，在一定生长温度下生长一定时间后生长为GaAs单晶。

作为本发明的进一步改进，还包括S5、将第一PBN坩埚放入甲醇内浸泡，将GaAs单晶从第一PBN坩埚剥离。

作为本发明的进一步改进，所述S4中，其生长温度为1230℃-1250℃。

作为本发明的进一步改进，所述S4中，其生长的时间为110小时-130小时。

本半导体晶体的生长装置及方法可实现对PBN坩埚的保护，并使得晶体成品率提高，同时加长晶体长度可以降低晶体位错等缺陷，提高晶体的性能和质量。

附图说明

图1为现有技术的整体结构示意图。

图2为本发明半导体晶体的生长装置的整体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种改进的半导体晶体的生长装置200，该装置200包括一炉体210，炉体210包括一支撑平台211、垂直固定于支撑平台211上的一支撑杆212、一加热室213，加热室213形成封闭的一圆柱形空腔214，支撑杆212上开设一架设孔212a，该装置200还包括位于空腔214内的一环形加热器220、一石英管230、一籽晶240、一碳帽250、一第一PBN坩埚260、一第二PBN坩埚270以及一石英帽290，石英管230架设于支撑杆212上。环形加热器220围绕石英管230设置。

石英管230包括一石英嘴231以及沿石英嘴231向上延伸的一石英筒232，石英筒232包括第一段232a、第二段232b以及连接第一段232a和第二段232b的过渡段232c，第一段232a、第二段232b呈直筒状且第一段232a和第二段232b的中心轴线为同一竖直线，过渡段232c为弧形状，第二段232b的直筒半径大于第一段232a的直筒半径。

第一PBN坩埚260内置于第一段232a内，第二PBN坩埚270内置于第二段232b内，且第二PBN坩埚270的锥部271卡设于过渡段232c并向下凸伸入第一PBN坩埚260上端。

第二PBN坩埚270内盛放有多晶料，与现有技术不同的是，第一PBN坩埚260并不盛放多晶料而仅仅盛放氧化硼固体265。

碳帽250垫设于过渡段232c和第二PBN坩埚270的锥部271之间，碳帽250作为C掺杂的碳源。

石英嘴231插入架设孔212a内并与架设孔212a贴合，所述第一PBN坩埚260的锥部261连接籽晶240，籽晶240悬空位于石英嘴231内，第一PBN坩埚260、第二PBN坩埚270、石英帽290均位于石英管230内且第一PBN坩埚260、第二PBN坩埚270、石英帽290自下而上依次连接，石英帽290焊接于第二PBN坩埚上端使得第二PBN坩埚封闭。

在本发明的某些实施例中，加热器220为多区加热器。

本装置200相比于现有技术100，减少了石英圈，通过对石英管的改进实现对第一PBN坩埚、第二PBN坩埚的支撑，其中的第一PBN坩埚不再盛放多晶料。

本发明同时提出一种半导体晶体的生长方法，采用上述的半导体晶体的生长装置，其包括如下步骤：

在本发明的某些实施例中，该生长方法还包括S5、将第一PBN坩埚放入甲醇内浸泡，将GaAs单晶从第一PBN坩埚剥离。

所述S4中，其生长温度为1235℃-1250℃。

所述S4中，其生长的时间为110小时-130小时。

所述S5中，所述甲醇浸泡的时间为12-24小时，浸泡的温度为50℃-60℃。

实施例1。

将7N Ga和7N As进行多晶合成，形成GaAs多晶料；将合成好的8Kg GaAs多晶料放入预先烘烤氧化处理的第二PNB坩埚内，将籽晶固定于第一PBN坩埚的锥部，将氧化硼固体放入第一PBN坩埚内；将第一PBN坩埚放入石英筒的第一段内；将10g碳帽套设于第二PBN坩埚的锥部，然后卡设于石英筒的过渡段内；将GaAs多晶料放入第二PBN坩埚内，将第二PBN坩埚放入石英筒的第二段内，将石英帽盖合于第二PBN坩埚上端，抽真空后，用氢氧焰焊接石英帽和第二PBN坩埚；将焊接后的第二PBN坩埚放入石英筒的第二段内，开启加热器，GaAs多晶料熔化，在重力的作用下，液态的GaAs多晶料从第二PBN坩埚流入第一PBN坩埚内，在籽晶的引导并进行单晶生长，同时碳帽在高温下逸出C，进行气氛C掺杂，在1235℃下生长110小时后生长为GaAs单晶。将第一PBN坩埚放入甲醇内浸泡12小时，浸泡的温度设置为50℃，将GaAs单晶从第一PBN坩埚剥离，完成GaAs单晶的制备。

实施例2。

将7N Ga和7N As进行多晶合成，形成GaAs多晶料；将合成好的10Kg GaAs多晶料放入预先烘烤氧化处理的第二PNB坩埚内，将籽晶固定于第一PBN坩埚的锥部，将氧化硼固体放入第一PBN坩埚内；将第一PBN坩埚放入石英筒的第一段内；将11g碳帽套设于第二PBN坩埚的锥部，然后卡设于石英筒的过渡段内；将GaAs多晶料放入第二PBN坩埚内，将第二PBN坩埚放入石英筒的第二段内，将石英帽盖合于第二PBN坩埚上端，抽真空后，用氢氧焰焊接石英帽和第二PBN坩埚；将焊接后的第二PBN坩埚放入石英筒的第二段内，开启加热器，GaAs多晶料熔化，在重力的作用下，液态的GaAs多晶料从第二PBN坩埚流入第一PBN坩埚内，在籽晶的引导并进行单晶生长，同时碳帽在高温下逸出C，进行气氛C掺杂，在1245℃下生长120小时后生长为GaAs单晶。将第一PBN坩埚放入甲醇内浸泡20小时，浸泡的温度设置为55℃，将GaAs单晶从第一PBN坩埚剥离，完成GaAs单晶的制备。

实施例3。

将7N Ga和7N As进行多晶合成，形成GaAs多晶料；将合成好的12Kg GaAs多晶料放入预先烘烤氧化处理的第二PNB坩埚内，将籽晶固定于第一PBN坩埚的锥部，将氧化硼固体放入第一PBN坩埚内；将第一PBN坩埚放入石英筒的第一段内；将12g碳帽套设于第二PBN坩埚的锥部，然后卡设于石英筒的过渡段内；将GaAs多晶料放入第二PBN坩埚内，将第二PBN坩埚放入石英筒的第二段内，将石英帽盖合于第二PBN坩埚上端，抽真空后，用氢氧焰焊接石英帽和第二PBN坩埚；将焊接后的第二PBN坩埚放入石英筒的第二段内，开启加热器，GaAs多晶料熔化，在重力的作用下，液态的GaAs多晶料从第二PBN坩埚流入第一PBN坩埚内，在籽晶的引导并进行单晶生长，同时碳帽在高温下逸出C，进行气氛C掺杂，在1250℃下生长130小时后生长为GaAs单晶。将第一PBN坩埚放入甲醇内浸泡24小时，浸泡的温度设置为60℃，将GaAs单晶从第一PBN坩埚剥离，完成GaAs单晶的制备。

对上述实施例1-3的晶体进行检测，检测结果如下表1所示。

表1 现有技术与实施例1-3所得到的晶体参数。

本发明半导体晶体的生长装置及方法的有益效果如下。

1、通过改进石英管的结构，可以不用石英圈支撑，从而节省一次密封焊接。

2、第一PBN坩埚不再装多晶料，避免装料过程中多晶料与第一PBN坩埚碰撞，提高第一PBN坩埚使用寿命；同时也避免第一PBN坩埚内壁被刮伤，使第一PBN坩埚与氧化硼更好的浸润，从而减少熔体直接接触第一PBN坩埚内壁而造成的孪晶等缺陷，有助于提高晶体成品率。

3、通过加长第一PBN坩埚长度，可以生长长为240～300mm的4寸砷化镓晶体；晶体加长并旋转支撑平台，增加生长时间，使长晶温度梯度减少，坩埚受热均匀，因而生长的晶体热应力小且均匀性好，位错密度也较低。

4、晶体加长，多晶料熔化过程中排杂时间长，使杂质都往晶体尾部集中，因而得到性能和质量更好的晶体。

5、在第二PBN坩埚的锥部套上碳帽作为气氛掺杂控制C的浓度；由于C在GaAs中的分凝系数大于1，倾向于在固态晶体中存在，而碳帽套在第二PBN坩埚的锥部，高温下C气氛会随着溶体从底部梯度冷凝成固体，更有利C在晶体中沿轴向均匀分布。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims

1.一种半导体晶体的生长装置，其特征在于：该装置包括一炉体，炉体包括一支撑平台、垂直固定于支撑平台上的一支撑杆、一加热室，加热室形成封闭的一圆柱形空腔，支撑杆上开设一架设孔，该装置还包括位于空腔内的一环形加热器、一石英管、一籽晶、一碳帽、一第一PBN坩埚、一第二PBN坩埚以及一石英帽，石英管架设于支撑杆上；石英管包括一石英嘴以及沿石英嘴向上延伸的一石英筒，石英筒包括第一段、第二段以及连接第一段和第二段的过渡段，第一段、第二段呈直筒状且第一段和第二段的中心轴线为同一竖直线，过渡段为弧形状，第二段的直筒半径大于第一段的直筒半径；

所述碳帽垫设于过渡段和第二PBN坩埚的锥部之间；

所述石英帽焊接于第二PBN坩埚上端使得第二PBN坩埚封闭。

2.根据权利要求1所述的半导体晶体的生长装置，其特征在于：所述第一PBN坩埚内置于第一段内，第二PBN坩埚内置于第二段内，且第二PBN坩埚的锥部卡设于过渡段并向下凸伸入第一PBN坩埚上端。

3.根据权利要求1所述的半导体晶体的生长装置，其特征在于：所述石英嘴插入架设孔内并与架设孔贴合，所述第一PBN坩埚的锥部连接籽晶，所述籽晶悬空位于石英嘴内。

4.根据权利要求3所述的半导体晶体的生长装置，其特征在于：所述第一PBN坩埚、第二PBN坩埚、石英帽均位于石英管内且第一PBN坩埚、第二PBN坩埚、石英帽自下而上依次连接。

5.一种半导体晶体的生长方法，采用权利要求4所述的半导体晶体的生长装置，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的半导体晶体的生长方法，其特征在于：还包括S5、将第一PBN坩埚放入甲醇内浸泡，将GaAs单晶从第一PBN坩埚剥离。

7.根据权利要求5所述的半导体晶体的生长方法，其特征在于：所述S4中，其生长温度为1230℃-1250℃。

8.根据权利要求5所述的半导体晶体的生长方法，其特征在于：所述S4中，其生长的时间为110小时-130小时。