СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ (GaAs) Российский патент 2024 года по МПК C30B29/42 C30B27/02 C30B15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к получению монокристаллов арсенида галлия, применяемых в области микроэлектроники.

Уровень техники

Из патента RU2400574 известен способ получения монокристаллов по методу Чохральского. В тигель помещают поликристаллический арсенид галлия и покрывают его герметизирующим ангидридом бора. Тигель нагревают до получения расплава и далее в расплав помещают затравку для вытягивания монокристалла.

Недостатком такого способа является загрязнение получаемого монокристалла примесями, поступающими в арсенид галлия как в процессе вытягивания монокристалла из расплава, так и в процессе синтеза поликристаллического арсенида галлия.

Примеси в монокристалле ухудшают свойства полупроводниковых изделий из него.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является снижение примесей в монокристалле.

Задача настоящего изобретения решается с помощью способа получения монокристалла арсенида галлия, содержащего следующие шаги: размещают в тигле галлий, мышьяк и борный ангидрид, причем борный ангидрид размещают в тигле на галлие и мышьяке; нагревают тигель до температуры 850-950°С; удерживают температуру тигля 850-900°С не менее 30 минут и не более 60 минут и получают арсенид галлия; нагревают тигель до температуры 1225-1350°С и получают расплав арсенида галлия; в расплав арсенида галлия опускают затравку и вытягивают монокристалл. Борный ангидрид предпочтительно содержит 1,0-2,5 % мас. воды.

Нагрев тигля до температуры 850-950°С преимущественно осуществляют со скоростью не менее 5°С/мин и не более 10°С/мин. Нагрев тигля до температуры 1225-1350°С предпочтительно осуществляют со скоростью не менее 5°С/мин и не более 20°С/мин. В частных варианте для получения арсенида галлия тигель нагревают и удерживают при температуре 850-900°С или 890°С. Кроме того, для получения расплава арсенида галлия тигель могут нагревать до температуры 1225-1275°С или 1248°С. В предпочтительном варианте осуществления способа перед нагревом тигля задают давление инертного газа или азота в ростовой камере, в которой размещен тигель, 6,0 МПа, а после получения расплава уменьшают давление азота до 0,2-0,3 МПа в течение 50-60мин.

Вытягивание монокристалла преимущественно происходит по методу Чохральского с жидкостной герметизацией борным ангидридом. При осуществлении метода Чохральского предпочтительно используют следующие параметры: скорость вращения тигля 1.5-2,5 об/мин, скорость вращения затравки 2,0-5,0 об/мин, а перемещение затравки увеличивается от 3,0 мм/час при затравливании до 8,0 мм/час по окончании роста монокристалла. Мышьяк и галлий помещают в тигель преимущественно с избытком мышьяка 0,05 до 0,09% от массы стехиометрического количества мышьяка.

Настоящее изобретение обеспечивает технический результат, заключающийся в улучшении свойств получаемого монокристалла путем снижения примесей в получаемом монокристалле арсенида галлия. Снижение примесей достигается благодаря тому, что минимизируется время контакта арсенида галлия с тиглем, в том числе ввиду исключения операции охлаждения поликристаллического арсенида галлия после его получения, а также операции нагрева поликристаллического арсенида галлия до получения расплава арсенида галлия перед осуществлением вытягивания монокристалла.

Дополнительное улучшение свойств монокристалла достигается путем снижения примесей и более равномерного их распределения в монокристалле, что снижает концентрацию примесей по всему кристаллу и устраняет точки концентрации примесей, что обеспечивается благодаря минимизации времени нагрева и удержания в заданных температурах до минимально необходимого для осуществления технологических операций, а также благодаря подбору температурных режимов, режимов давления, технологических режимов роста и соотношению используемых галлия и мышьяка.

Осуществление изобретения

Далее изобретение описано в отношении последовательности шагов, указанных в формуле изобретения. Однако некоторые шаги способа могут меняться местами, если это позволяет осуществить требуемые технологические операции, и возможные изменения порядка также входят в объем охраны настоящего изобретения.

Получение монокристалла арсенида галлия (GaAs) в соответствии с настоящим изобретением начинается размещения в тигле галлия (Ga) и мышьяка (As). Мышьяк и галлий помещают в тигель в стехиометрическом соотношении, что обеспечивает увеличение выхода арсенида галлия и повышает структурное совершенство монокристалла, так как в случае избытка одного из компонентов рост происходит из раствора. В то же время ввиду повышенной летучести мышьяка его помещают с небольшим избытком, например от 0,05 до 0,09% от массы стехиометрического количества мышьяка, что также обеспечивает минимизацию примесей в получаемом монокристалле.

Размещают в тигле на галлие и мышьяке борный ангидрид (B₂O₃), предпочтительно содержащий 1,0-2,5 % мас. воды для герметизации расплава арсенида галлия (предотвращения испарения мышьяка). Перед началом нагрева в ростовой камере, в которой размещен тигель и в которой осуществляется настоящий способ, преимущественно обеспечивают давление инертного газа или азота 6,0 МПа для минимизации испарения мышьяка.

Тигель с помещенными в него галлием и мышьяком нагревают до температуры 850-950°С и удерживают эту температуру не менее 30 минут и не более 60 минут. За это время тигель успевает прогреться и нагреть помещенные в него мышьяк и галлий до температуры синтеза арсенида галлия. В частном варианте для получения арсенида галлия тигель нагревают и удерживают при температуре 850-950°С (предпочтительно 890°С), что обеспечивает оптимальные условия для осуществления синтеза арсенида галлия. Благодаря этому синтез арсенида галлия происходит быстрее и снижается время его контакта с тиглем и другими загрязняющими веществами, что позволяет получить более чистый монокристалл.

Нагрев тигля до температуры 850-950°С (или 850-900°С или 890°С в вышеуказанных частных вариантах) преимущественно осуществляют со скоростью не менее 5°С/мин и не более 10°С/мин. Такая скорость нагрева позволяет, с одной стороны, осуществить нагрев достаточно быстро, что снижает время контакта веществ в тигле с материалом тигля и другими веществами, а с другой стороны, предотвращает разрушение тигля вследствие слишком сильного перепада температуры и снижает вероятность неравномерной возгонки веществ (в частности, мышьяка), еще не вступивших в реакцию синтеза арсенида галлия, и их взаимодействия с окружающими материалами и/или газами. Это также повышает чистоту конечного продукта. После окончания операции синтеза арсенида галлия нагревают тигель до температуры 1225-1350°С и получают расплав арсенида галлия.

Минимизация временного интервала между синтезом арсенида галлия и получением его расплава дополнительно снижает загрязнение этого вещества, которое происходило бы из-за контакта с тиглем как при паузе между операциями синтеза и получения расплава, так и при дополнительных операциях получения поликристаллического арсенида галлия путем охлаждения после синтеза GaAs и последующего нагрева при получении расплава.

При нагреве тигля до температуры 1225-1350°С нагревается и синтезированный арсенид галлия и превращается в расплав арсенида галлия. Указанный диапазон температур минимизирует времени выращивания монокристалла арсенида галлия, а значит уменьшает время контакта расплава арсенида галлия с тиглем. Это позволяет уменьшить загрязнения арсенида галлия.

В частных вариантах тигель с арсенидом галлия предпочтительно нагревают до температуры 1225-1275°С (или, в оптимальном случае, 1248°С), что обеспечивает оптимальные условия для осуществления синтеза арсенида галлия. Благодаря этому выращивание арсенида галлия происходит быстрее и снижается время контакта расплава арсенида галлия с тиглем и другими загрязняющими веществами, что позволяет получить более чистый монокристалл.

Нагрев тигля до температуры 1225-1350°С (или 1225-1275°С или 1248°С в вышеуказанных частных вариантах) предпочтительно осуществляют со скоростью не менее 5°С/мин и не более 10°С/мин. Такая скорость нагрева позволяет, с одной стороны, осуществить нагрев достаточно быстро, что снижает время контакта арсенида галлия в тигле с материалом тигля и другими веществами, а с другой стороны, предотвращает разрушение тигля вследствие слишком сильного перепада температуры и снижает вероятность разложения арсенида галлия на отдельные компоненты за счет испарения мышьяка. Это также повышает чистоту конечного продукта.

Далее в расплав арсенида галлия опускают затравку и вытягивают монокристалл. Вытягивание монокристалла происходит по методу Чохральского. Скорость вращения тигля - (1.5-2,5) об/мин. Скорость вращения затравки -(2,0-5,0) об/мин. Перемещение затравки увеличивается от 3,0 мм/час при затравливании до 8,0 мм/час по окончании роста монокристалла. Такие параметры роста монокристалла обеспечивают формирование близкой к плоской формы фронта кристаллизации. Это позволяет уменьшить уровень термических напряжений в монокристалле и повысить его структурное совершенство и обеспечивает равномерное распределение фоновых примесей по объему монокристалла.

Благодаря вышеописанному способу удается улучшить свойства получаемого монокристалла путем уменьшения доли примесей в получаемом монокристалле арсенида галлия. Уменьшение примесей достигается благодаря тому, что минимизируется время контакта арсенида галлия с тиглем, в том числе ввиду исключения операции охлаждения поликристаллического арсенида галлия после его получения, а также операции нагрева поликристаллического арсенида галлия до получения расплава арсенида галлия перед осуществлением вытягивания монокристалла.

Дополнительное улучшение свойств монокристалла достигается путем снижения содержания примесей в монокристалле и более равномерного их распределения, что снижает концентрацию примесей по всему кристаллу и устраняет точки концентрации примесей, что обеспечивается благодаря минимизации времени нагрева и удержания в заданных температурах до минимально необходимого для осуществления технологических операций, а также благодаря подбору температурных режимов, режимов давления и соотношению используемых галлия и мышьяка.

Изобретение может быть использовано в электронике. Сначала размещают в тигле галлий и мышьяк с избытком мышьяка от 0,05 до 0,09% от массы его стехиометрического количества, а на них помещают борный ангидрид, содержащий 1,0-2,5 мас.%. воды. Затем задают давление инертного газа или азота в ростовой камере с размещённым в ней тиглем 6,0 МПа. Нагревают тигель до 850-950°С со скоростью не менее 5°С/мин и не более 10°С/мин, удерживают эту температуру тигля не менее 30 мин и не более 60 мин и получают арсенид галлия. После этого нагревают тигель до 1225-1350°С со скоростью не менее 5°С/мин и не более 10°С/мин и получают расплав арсенида галлия. Затем уменьшают давление азота до 0,2-0,3 МПа в течение 50-60 мин. В расплав арсенида галлия опускают затравку и вытягивают монокристалл арсенида галлия по методу Чохральского с жидкостной герметизацией расплава борным ангидридом, обеспечивая скорость вращения тигля 1,5-2,5 об/мин, а скорость вращения затравки 2,0-5,0 об/мин. Перемещение затравки увеличивают от 3,0 мм/ч при затравливании до 8,0 мм/ч по окончании роста монокристалла. Изобретение обеспечивает технический результат, заключающийся в снижении примесей в получаемом монокристалле арсенида галлия. 7 з.п. ф-лы.

1. Способ получения монокристалла арсенида галлия, включающий в себя следующие шаги:

- размещают в тигле галлий и мышьяк;

- размещают в тигле на галлии и мышьяке борный ангидрид;

- перед нагревом тигля задают давление инертного газа или азота в ростовой камере, в которой размещен тигель, 6,0 МПа, а после получения расплава уменьшают давление азота до 0,2-0,3 МПа в течение 50-60 мин;

- нагревают тигель до температуры 850-950°С;

- удерживают температуру тигля 850-950°С не менее 30 минут и не более 60 минут и получают арсенид галлия;

- нагревают тигель до температуры 1225-1350°С и получают расплав арсенида галлия;

- в расплав арсенида галлия опускают затравку и вытягивают монокристалл.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев тигля до температуры 850-950°С осуществляют со скоростью не менее 5°С/мин и не более 10°С/мин.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев тигля до температуры 1225-1350°С осуществляют со скоростью не менее 5°С/мин и не более 10°С/мин.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения арсенида галлия тигель нагревают и удерживают при температуре 850-900°С или 890°С.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения расплава арсенида галлия тигель нагревают до температуры 1225-1275°С.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вытягивание монокристалла происходит по методу Чохральского с жидкостной герметизацией расплава борным ангидридом, причем обеспечивают скорость вращения тигля 1,5-2,5 об/мин, причем обеспечивают скорость вращения затравки 2,0-5,0 об/мин, причем перемещение затравки увеличивается от 3,0 мм/ч при затравливании до 8,0 мм/ч по окончании роста монокристалла.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что мышьяк и галлий помещают в тигель с избытком мышьяка от 0,05 до 0,09% от массы стехиометрического количества мышьяка.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что борный ангидрид содержит 1,0-2,5 мас. %. воды.