Способ выращивания монокристаллов арсенида галлия для изготовления подложек интегральных схем

 

Изобретение относится к области получения полупроводниковых материалов. Способ ведут методом Киропулоса под слоем флюса. Затравку приводят в соприкосновение с расплавом в поле с градиентом температуры, направленным от затравки в объем расплава. Толщину слоя расплава выбирают равной толщине подложки схемы. Перед достижением фронтом кристаллизации стенки тигля монокристалл извлекают во флюс. После охлаждения флюса до температуры не ниже температуры затвердевания флюса кристалл из него извлекают. 10 ил.

Изобретение относится к получению полупроводниковых материалов и наиболее эффективно может быть использовано при производстве монокристаллов полуизолирующего (с удельным электросопротивлением более 1˙10⁷ Ом˙см) арсенида галлия, используемых для изготовления подложек интегральных схем.

Техническим результатом изобретения является увеличение диаметра выращиваемых монокристаллов полуизолирующего арсенида галлия при сохранении низкой плотности дислокаций в них, а также упрощение последующей обработки монокристаллов и уменьшение потерь материала при обработке монокристалла.

Это достигается тем, что выращивание монокристалла арсенида галлия для изготовления подложки интегральной схемы осуществляется приведением затравки в соприкосновение с помещенным в тигель под слоем жидкого флюса расплавом арсенида галлия, находящимся в температурном поле с градиентом, направленным от затравки в объем расплава, и последующей кристаллизацией расплава путем охлаждения всего расплава с сохранением направления температурного градиента, т.е. методом Киропулоса с жидкостной герметизацией флюсом.

Новым в способе является то, что толщину слоя расплава арсенида галлия выбирают равной толщине подложки, изготовляемой из монокристалла интегральной схемы, причем процесс кристаллизации прекращают перед достижением фронтом кристаллизации стенки тигля извлечением монокристалла во флюс, а после охлаждения флюса до температуры не ниже температуры затвердевания флюса монокристалл извлекают из флюса.

Монокристалл, выращиваемый предлагаемым методом, может иметь толщину, характерную для пластин, используемых для изготовления подложек интегральных схем (≈0,5 1,0 мм). При этом кристаллизация расплава в тонком слое ввиду хороших условий теплообмена массы пластины с окружающей средой может быть выполнена при низких температурных градиентах (чем обеспечивается низкая плотность дислокаций) в тиглях большого диаметра (80 130 мм). Прекращение кристаллизации вытаскиванием монокристалла во флюс, а после охлаждения монокристалла до температуры не ниже температуры затвердевания флюса и из флюса, предотвращает разрушение монокристалла расширяющимся при затвердевании флюсом. Последующая обработка монокристалла упрощается за счет того, что устраняется операция резки (она сводится к отрезке монокристалла от затравки). По этой же причине снижаются потери материала при обработке монокристалла.

Предлагаемый способ выращивания монокристаллов GaAs может быть осуществлен в устройстве, показанном на фиг. 1.

В камере 1 со смотровыми окнами 2 и 3 на подставке 4 установлен плоский тигель 5 круглого сечения. Подставка и тигель снабжены донным 6, боковым 7 и дополнительным 8 нагревателями с тепловыми экранами. На штоке 9 через подшипник 10 свободно укреплен затравкодержатель 11 с затравочным монокристаллом (затравкой) 12. Через шток 13 подставка 4 с тиглем 5 может быть приведена во вращение для создания аксиальной симметрии температурного поля в объеме тигля. Окно 2 предназначено для наблюдения за процессом затравления, а окно 3 для наблюдения за окончанием процесса кристаллизации. Перед проведением процесса выращивания монокристалла CaAs камера 1 вакуумируется и заполняется инертным газом до давления 2 20 атм.

Последовательность операций при выращивании монокристалла GaAs предлагаемым способом иллюстрируют фиг. 2-5.

В плоский тигель 14 круглого сечения помещен расплав 15 арсенида галлия, покрытый слоем жидкого флюса 16 из В₂О₃. Для затравления процесса кристаллизации в расплав опущен затравочный монокристалл (затравка) 17 из GaAs требуемой при изготовлении подложек интегральных схем кристаллографической ориентации [100] Донный боковой и дополнительный нагреватели формируют в объеме тигля тепловое поле с градиентом температуры, направленным от затравки к стенке тигля. При понижении мощности нагревателей фронт кристаллизации перемещается от затравки к стенке тигля (фиг. 3). При некотором зазоре между фронтом кристаллизации и стенкой тигля выращенный монокристалл вытаскивается за затравку во флюс (фиг. 4), на дне тигля при этом находится остаток расплава GaAs. В этом положении проводится охлаждение тигля с загрузкой до температуры не ниже температуры затвердевания флюса (для В₂О₃ около 600^оС), после чего монокристалл извлекается из флюса (фиг. 5), а нагреватели выключаются.

Весь процесс выращивания монокристалла, включая и охлаждение до температуры около 700^оС, проводится под слоем флюса, что способствует сохранению стехиометрии состава монокристалла и повышает структурное совершенство монокристалла. При этом проведение процесса кристаллизации в тонком слое расплава подавляет конвективные потоки в расплаве, что повышает стабильность условий выращивания монокристалла.

Выращенный монокристалл имеет форму пластины круглого сечения, которая после отрезки затравочного монокристалла, шлифовки и полировки может быть использована в качестве подложки для изготовления интегральных схем.

На фиг. 6-8 показаны температурные поля в объеме тигля при выращивании монокристаллов GaAs предлагаемым методом, рассчитанные с применением методов математического моделирования.

Расчет проводился на основе программы GALEZ. Изотермы проведены с интервалом 50 К. Изотерма 1511 К, соответствующая температуре плавления GaAs, отмечена стрелкой. Единица длины на осях рисунков соответствует 1 см. Нагрев тигля осуществляется донным и боковым нагревателями, создающими тепловые потоки q₀ и q₁ соответственно, а также погруженным во флюс дополнительным нагревателем с удельным (отнесенным к единице объема нагревателя) тепловыделением Q.

Фиг. 9 и 10 иллюстрируют применение программы GALEZ для расчета температурных полей в монокристаллах GaAs диаметром 130 мм, выращиваемых ЖГЧ- и ЖГК-методом. На фиг. 6-10 указаны значения температурных градиентов в монокристаллах вблизи фронта кристаллизации.

Как видно из фиг. 6-8, при изменении тепловых потоков q₀ и q₁ и удельной мощности тепловыделения Q, создаваемых донным, боковым и дополнительным нагревателями, предлагаемым методом может быть осуществлена кристаллизация GaAs толщиной 0,5 1,0 мм в тигле большого (130 мм) диаметра в условиях с низкими значениями вертикальной и радиальной составляющих температурного градиента ( ∂Т/∂r 2 29 K˙см^-1 и ∂Т/ ∂z 6 14 K ˙см^-1).

Формула изобретения

СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОДЛОЖЕК ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ, включающий приведение в соприкосновение вращающейся затравки с расплавом арсенида галлия под слоем жидкого флюса в тигле при наличии температурного поля с градиентом, направленным от затравки в объем расплава, и кристаллизацию расплава путем его охлаждения при сохранении направления градиента, отличающийся тем, что толщину слоя расплава выбирают равной толщине подложки, изготовляемой из монокристалла интегральной схемы, кристаллизацию прекращают перед достижением фронтом кристаллизации стенки тигля путем извлечения монокристалла во флюс, после чего охлаждают флюс до температуры его затвердевания и извлекают монокристалл из флюса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10