專利名稱：垂直舟生長工藝用爐料及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半絕緣砷化鎵單晶錠的生長改進(jìn)。
背景技術(shù)：
通常工業(yè)上需要的單晶錠由以下諸工藝生長(a)垂直梯度冷凝(VGF)，(b)垂直Bridgeman(VB)，(c)水平Bridgeman(HB)，(d)液封Czochralski(LEC)。由VGF、VB和HB生產(chǎn)的晶片(wafer)可獲得“低缺陷密度”(LDD)的材料，而LEC由于其本性只能生產(chǎn)“高缺陷密度”(HDD)的材料。根據(jù)定義，此處LDD材料表征為腐蝕坑密度(EPD)的數(shù)量級在102至103位錯/cm3，而高密度材料則表征為104至105位錯/cm3數(shù)量級的較高EPD。由LEC生長的晶體，其內(nèi)部殘余應(yīng)力明顯高于由VGF、VB和HB所生長晶片中的。LDD材料的較高晶體質(zhì)量和較低內(nèi)部殘余應(yīng)力直接地表現(xiàn)為以下優(yōu)點(diǎn)當(dāng)從晶錠切割為晶片時較少損裂，在晶片操作處理期間較少碎裂，較佳的表面形態(tài)以及許多其他性質(zhì)，后者對生產(chǎn)最終產(chǎn)品，例如激光器、半導(dǎo)體電路等是所希望的。商業(yè)上半絕緣晶片的可適性基于受控的電阻率、整個晶片上均勻的電阻率、遷移率、純度、EPD、晶片的平整度等加以評判。商業(yè)上為獲得這樣一類晶片的半絕緣晶錠的可適性乃基于其電學(xué)性質(zhì)、從頭至尾整根晶錠上的均勻性、低的內(nèi)部殘余應(yīng)力和可重復(fù)的生長工藝加以評判。
在這當(dāng)中正如以下所見那樣，加入受控的碳的是成功生長半絕緣砷化鎵(GaAs)材料的關(guān)鍵因素。砷化鎵的半絕緣電學(xué)性質(zhì)取決于以下諸濃度殘余的施主雜質(zhì)，例如硅；(b)受主雜質(zhì)，它們包括多晶材料中殘余的碳和作為受主雜質(zhì)而引入的碳；以及(c)EL2，它是禁帶中央(mid-gap)的本征雙施主缺陷，與砷化鎵材料的化學(xué)計量比有關(guān)。EL2缺陷與砷(As)在鎵(Ga)上的反位(anti-site)相關(guān)聯(lián)。半絕緣砷化鎵只有當(dāng)確立下面的關(guān)系式時才能獲得N(EL2)＞[N(a)-N(d)]＞0式中N(EL2)是EL2缺陷的濃度，N(a)主要為碳的受主濃度，而N(d)則為殘余施主(例如硅)的濃度。
EL2缺陷密度和雜質(zhì)控制，尤其是受主的控制，對獲得砷化鎵中合適的半絕緣性質(zhì)是決定性的。碳是主要而且最希望的受主，但受控的碳的加入業(yè)已證明是困難的。
在LEC中，碳主要來自兩種來頭(1)作為原材料中雜質(zhì)存在的碳；和(2)在生長期間來自熾熱的石墨爐成分的碳沾污。電阻率大于107Ω-cm的半絕緣砷化鎵通?？捎蒐EC生產(chǎn)而無明顯困難。為達(dá)到LEC中碳的控制，研究了不同的碳源，諸如碳酸鋇和一氧化碳。迄今為取得LEC中碳的控制，采用一氧化碳(CO)幾乎已成標(biāo)準(zhǔn)。然而，控制LEC中電阻率小于107Ω-cm的半絕緣性質(zhì)極其困難，因?yàn)長EC比起VGF具有高得多的碳的本底水平。
在HB中，由于來自石英中高水平的Si沾污，故要滿足條件N(EL2)＞[N(a)-N(d)]＞0來取得半絕緣砷化鎵幾乎是不可能的。然而，借助于故意摻鉻可以獲得半絕緣的HB材料。
在VGF和VB所生長晶體中碳的水平通常不高，即，接近低1014/cm3。在VGF和VB中加入碳要比在LEC中加入碳更為困難，且在那里借助一氧化碳(CO)的應(yīng)用來加碳是不切實(shí)際的。加碳進(jìn)入晶體是困難的，因?yàn)樯榛壷刑嫉娜芙舛炔桓摺ｋm然通過小心地使殘余施主濃度減至最少可以滿足條件N(EL)＞[N(a)-N(d)]＞0，但僅能達(dá)到有限的半絕緣砷化鎵性質(zhì)。在這樣一類材料中得到的EL2、施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)之間低水平的平衡不是所希望的，因?yàn)樵擃惒牧蟽A向于不穩(wěn)定。
雖然在所生長的VB和VGF砷化鎵晶錠中已可達(dá)到有限的半絕緣性質(zhì)，但還沒有受控加碳至砷化鎵錠的標(biāo)準(zhǔn)方法，尤其是達(dá)到高碳濃度，例如大于1016原子/cm3和更高。
在現(xiàn)有技術(shù)中，對于生長期間借用各種碳化物，例如碳酸鋇和一氧化碳進(jìn)行砷化鎵晶錠的碳摻雜有許多參考文獻(xiàn)。有一篇未知出處的由T.Kawasa等人撰寫的題為“由垂直舟法所生長低位錯密度和低殘余應(yīng)變的半絕緣砷化鎵”的論文報導(dǎo)說，通過在裝有砷化鎵多晶材料的pBN坩堝中采用“碳源”取得了砷化鎵晶錠中加碳的良好控制。由于該文中未說明“碳源”是什么，因而無法知曉那些報告的結(jié)果是如何取得的。在1997年10月29日發(fā)布的歐洲專利申請EP0803593 A1，署名T.Kawasa為其發(fā)明者。該申請敘述借用固態(tài)碳的各種形式(即碳粉、碳纖維以及連同氧化硼一起燒結(jié)的碳塊)對砷化鎵熔體進(jìn)行摻碳。正如Kawasa所說明那樣，氧化硼起純化劑作用，而加碳則作為摻雜劑，這和1984年由P.J.Doering等人發(fā)表的題為“加碳進(jìn)入LEC砷化鎵”的論文所講的完全類似。該文在1984年于瑞典Malmo舉行的國歐會議上發(fā)表。

發(fā)明內(nèi)容
正如這里所述那樣，采用我們改進(jìn)過的垂直工藝中的爐料，導(dǎo)致低缺陷密度(LDD)的半絕緣砷化鎵晶錠，其電學(xué)特性特別適合于對從這類晶錠上切下的晶片所預(yù)期的最終用途。
除多晶砷化鎵料外，我們對砷化鎵晶錠垂直舟生長所作的爐料改進(jìn)在于其數(shù)量相應(yīng)于晶錠的目標(biāo)電學(xué)特性加以選擇的石墨粉。按照本發(fā)明，來自石墨粉的碳直接加入熔體。包含在爐料中的所選粉狀石墨的數(shù)量，其標(biāo)稱的摻雜潛力大于正生長晶錠中所預(yù)計的碳摻雜劑的目標(biāo)水平。
從按照我們發(fā)明所生長晶錠上取下的晶片非常適合于其后的加工應(yīng)用，其中包括直接進(jìn)行離子注入進(jìn)襯底。我們的發(fā)明對VGF和VB裝置均可良好地加以實(shí)施。
附圖簡述

圖1是若干砷化鎵晶錠的電阻度作為相應(yīng)生長爐料中相對碳摻雜的函數(shù)而作出的曲線圖。
詳細(xì)描述作為例子，在VGF中砷化鎵錠于熱解氮化硼(pBN)坩堝中進(jìn)行生長，該坩堝業(yè)已裝有事先合成好的砷化鎵多晶材料于適當(dāng)取向的籽晶上。pBN坩堝置于密封石英管中。爐料和籽晶的一部分通過受控的加熱模式加以熔化，然后使熔體相繼冷凝以形成相應(yīng)于籽晶取向的單晶錠。還任意地對坩堝裝以B2O3，后者起著坩堝與正生長晶錠之間的襯墊和籽晶與籽晶井之間的襯墊作用。
按我們現(xiàn)在的發(fā)明，將石墨粉作為特定的碳源連同多晶砷化鎵料一起裝入坩堝以形成我們改進(jìn)過的爐料，將坩堝置于密封石英管內(nèi)，并開始對爐料進(jìn)行加熱。選擇包含在已改進(jìn)的爐料中石墨粉的數(shù)量以提供標(biāo)稱的摻雜水平，其潛力明顯高于正生長晶錠中所預(yù)計的碳的目標(biāo)水平。例如，業(yè)已用數(shù)量大約為1017原子/cm3的標(biāo)稱碳(C)摻雜水平的石墨粉來對正生長晶錠進(jìn)行摻碳至預(yù)計約1015原子/cm3的目標(biāo)水平。其他高數(shù)值的標(biāo)稱碳(C)摻雜水平，例如每次大約1018導(dǎo)致相應(yīng)的目標(biāo)水平，例如1016原子/cm3。按照我們的發(fā)明，為生長半絕緣砷化鎵晶錠，包含在砷化鎵爐料中石墨粉的標(biāo)稱潛在摻雜水平至少為待加入晶錠中所預(yù)計碳的目標(biāo)水平的若干倍。
將改進(jìn)過的爐料加熱至砷化鎵的熔點(diǎn)，并在該溫度下保持一段時間，例如1小時，或多或少地促進(jìn)石墨在砷化鎵熔體中的溶解。由大量石墨粉呈現(xiàn)于砷化鎵熔體的大的接觸表面積是成功地均勻加碳于所生長晶體中的關(guān)鍵。在生長期間，只有小部分碳被加入至晶體，而大部分則隨著生長的進(jìn)行被無害地掃至晶錠的尾端。
當(dāng)生長結(jié)束時，冷卻晶錠至室溫，并切除少量含有過剩石墨的尾部。
圖1是九根如這里描述那樣所生長砷化鎵晶錠樣品的電阻率隨包含在這些晶錠爐料中相對碳摻雜劑變化的曲線。正如圖1所見，通過采用我們新的含有石墨粉的爐料，可使VGF所生長的砷化鎵半絕緣材料的電阻率跨越過兩個數(shù)量級以上從低的106Ω-cm到高達(dá)108Ω-cm。
這里所述結(jié)果基于采用具有特定性質(zhì)(例如，顆粒狀、濕潤等)的石墨粉，以及特定的操作溫度模式。可以預(yù)期，使用更細(xì)或更粗的石墨粉將影響標(biāo)稱摻雜水平與得到的目標(biāo)水平之間的關(guān)系。同樣，不同的操作溫度模式也可影響那些關(guān)系。
通過把特別的注意放在較佳的實(shí)施例上，描述了本發(fā)明，然而，應(yīng)明白，對熟悉與本發(fā)明有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域的那些人而言，在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的諸種變化和改進(jìn)均可發(fā)生。
權(quán)利要求
1．一種包括多晶砷化鎵材料和碳源的用于砷化鎵單晶錠垂直舟生長的爐料，其特征在于，所述碳源包括石墨粉；以及包含在爐料中的所述石墨粉的標(biāo)稱摻雜潛力大于生長晶錠中預(yù)計的碳摻雜劑的目標(biāo)水平。
2．如權(quán)利要求1所述的爐料，其特征在于，包含在爐料中的所述石墨粉的標(biāo)稱摻雜潛力為生長晶錠中預(yù)計的碳摻雜劑的目標(biāo)水平100倍的數(shù)量級。
3．如權(quán)利要求1所述的爐料，其特征在于，包含在爐料中的所述石墨粉的標(biāo)稱摻雜潛力至少為生長晶錠中預(yù)計的碳摻雜劑的目標(biāo)水平的若干倍。
4．單晶半絕緣砷化鎵錠的垂直舟生長包括(a)對坩堝用多晶砷化鎵材料和碳源組成的爐料裝填于選擇性地取向的籽晶上；(b)把所述坩堝置于密封石英管內(nèi)；(c)施加受控加熱模式來熔化爐料和籽晶的一部分，并從與籽晶的界面處開始相繼冷凝熔體而形成單晶；其特征在于，所述碳源為石墨粉；而所述加熱模式包括加熱所述爐料至砷化鎵的熔點(diǎn)溫度；保持該溫度一段時間以促進(jìn)所述石墨在砷化鎵熔體中的融解；然后控制加熱模式以使熔體相繼冷凝而形成所述晶體。
5．其內(nèi)具有受控的預(yù)計碳目標(biāo)水平的單晶半絕緣砷化鎵錠的垂直舟生長包括(a)對坩堝用多晶砷化鎵材料和碳源組成的爐料裝填于選擇性地取向的籽晶上；(b)把所述坩堝置于密封石英管內(nèi)；(c)施加受控加熱模式來熔化爐料和籽晶的一部分，并從與籽晶的界面處開始相繼冷凝熔體而形成單晶；其特征在于，所述碳源是選出數(shù)量的石墨粉，與生長晶錠中預(yù)計的碳的目標(biāo)水平相比，它具有規(guī)定的大的標(biāo)稱摻雜潛力。
6．如權(quán)利要求5所述的單晶半絕緣砷化鎵錠的垂直舟生長，其特征在于，包含在爐料中的所述石墨粉的標(biāo)稱摻雜潛力為生長晶錠中預(yù)計的碳摻雜劑的目標(biāo)水平的100倍的數(shù)量級。
7．如權(quán)利要求5所述的單晶半絕緣砷化鎵錠的垂直舟生長，其特征在于，包含在爐料中的所述石墨粉的標(biāo)稱摻雜潛力至可為生長著晶錠中預(yù)計的碳摻雜劑目標(biāo)水平的若干倍。
8．如權(quán)利要求5所述的單晶半絕緣砷化鎵錠的垂直舟生長，其特征在于，所述加熱模式包括加熱所述爐料至砷化鎵的熔點(diǎn)溫度；并保持該溫度一段時間。
9．用于生長單晶半絕緣砷化鎵錠的垂直舟裝置，所述砷化鎵錠具有從可能的單位電阻率范圍內(nèi)選出的單位電阻率，所述裝置包括坩堝，它用多晶砷化鎵材料和碳源組成的爐料裝填于選擇性取向的籽晶上；密封石英管，用以容納所述經(jīng)裝填的坩堝；以及受控的加熱模式，使?fàn)t料和籽晶的一部分選擇性地熔化；其特征在于，所述碳源是選出數(shù)量的石墨粉，與生長晶錠中預(yù)計的碳的目標(biāo)水平相比，它具有相應(yīng)于選出的單位電阻率的大的標(biāo)稱碳摻雜潛力；而所述加熱模式包括加熱所述爐料至砷化鎵的熔化點(diǎn)溫度；然后控制加熱模式以使熔體相繼冷凝而形成所述單晶錠。
10．如權(quán)利要求9所述的用于生長單晶半絕緣砷化鎵錠的垂直舟裝置，其特征在于，包含在爐料中的所述石墨粉的選出量的標(biāo)稱摻雜潛力大約為生長錠中的碳摻雜劑的目標(biāo)水平的100倍。
11．用于生長單晶半絕緣砷化鎵晶錠的垂直舟裝置，其中砷化鎵錠具有受控的碳摻雜劑的預(yù)計目標(biāo)水平，其特征在所述裝置包括坩堝，它裝填有選擇性地取向的籽晶；由多晶砷化鎵材料和石墨粉組成的爐料，與生長晶錠中預(yù)計的碳的目標(biāo)水平相比，所述石墨粉的量具有規(guī)定的大的標(biāo)稱摻雜潛力；密封石英管，用以容納所述裝有爐料的坩堝；熱源；用于控制所述熱源的裝置，它產(chǎn)生受控的加熱模式來形成單晶錠。
12．如權(quán)利要求9所述的用于生長單晶半絕緣砷化鎵錠的垂直舟裝置，其特征在于，用于控制所述熱源產(chǎn)生一加熱模式的所述裝置包括用于熔化爐料和籽晶一部分的裝置；用于保持爐料熔化溫度一段時間以促進(jìn)在砷化鎵熔體中的所述石墨粉融解的裝置；用于其后控制加熱模式以使熔體相繼冷凝來形成所述單晶的裝置。
13．半絕緣單晶砷化鎵材料，其特征在于，它按權(quán)利要求5、6、7和8的任何一項(xiàng)生產(chǎn)。
全文摘要
在砷化鎵單晶錠的垂直舟生長中,將預(yù)定數(shù)量的粉末石墨包含在爐料中,以直接確立生長晶錠中有關(guān)的預(yù)計目標(biāo)電學(xué)特征。電學(xué)特征相應(yīng)于生長晶錠中的碳的濃度。
文檔編號C30B11/00GK1279732SQ98811320
公開日2001年1月10日 申請日期1998年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月21日
發(fā)明者肖留, 朱萌 申請人:美國愛克斯陶爾技術(shù)公司