专利名称：用于制造半导体晶体的方法和装置以及半导体晶体的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制造半导体晶体的方法和装置以及半导体晶体。特别地，本发明涉及用于制造具有优良的杂质浓度均勻性的半导体晶体的方法和装置以及半导体晶体。
背景技术：
通常，半导体晶体适用于用作诸如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的光学器件的衬底或用作诸如晶体管的电子器件的衬底。众所周知，上述光学器件和电子器件的器件性质极易受衬底的杂质浓度、载流子浓度等的影响。因此，为了解决光学器件和电子器件中器件性质的变化，例如需要使所使用的半导体晶体中的杂质浓度分布更加均勻。图6示出用于制造半导体晶体的常规装置的一个实例的示意性截面图。该制造装置200包括坩锅20、装有坩锅20的耐热容器21、提供在耐热容器21外部的加热器2 至 22d、用于密封耐热容器21的化03密封部23以及容纳这些部件的室对。根据使用这种制造装置200制造半导体晶体的方法，首先将GaAs籽晶25设置在坩锅20的底部，且将由含作为杂质的Si的GaAs多晶形成的原料以及由B2O3形成的密封剂 26顺序置于该GaAs籽晶25上。随后，加热器22d加热化03密封部23。因此，B2O3熔化以密封耐热容器21。随后，加热器2 至22c加热坩锅20，以便坩锅20中的GaAs多晶一次熔化。此后，从坩锅20的底部向上逐渐降低来源于GaAs多晶的GaAs熔体27的温度。随着上述温度的变化，GaAs熔体27从其与位于坩锅20的底部的籽晶25相接触的下侧向上侧固化，从而制造出含Si的GaAs晶体观。在垂直于GaAs晶体观的生长方向的方向上对从坩锅中取出的GaAs晶体观进行切割，从而用作光学器件的衬底或用作电子器件的衬底。但是，相对于GaAs晶体28来说，GaAs熔体27中的Si的分凝系数小于或等于1， 且因此由于存在这种分凝现象，所以混入GaAs晶体28中的Si的浓度低于GaAs熔体27中 Si的浓度。因此，GaAs熔体27中Si的减少量小于GaAs熔体27的减少量，因此随着GaAs 晶体28的生长，GaAs熔体27中Si的浓度会增大。因此，GaAs晶体28中Si的浓度从该晶体观的下侧向其上侧逐渐增大，这会导致从单个GaAs晶体观上切割下的多个衬底中的杂质浓度发生偏差。另一方面，日本专利公开2005-35(^95(专利文献1)公开了一种装置，其中将作为半导体多晶的原料置于设置在坩锅之上的容器中，如图7中所示。在图7中的晶体制造装置300中，加热器31a至31e都产生热，由此在晶体制造装置的垂直方向上产生温度梯度。 在该晶体制造装置300中，使用加热器31a至31c加热坩锅32，以便熔化坩锅32中的GaAs 多晶。随后，来源于GaAs多晶的含Si的GaAs熔体33的温度从坩锅32的下侧向其上侧逐渐降低，以使得置于坩锅32中的含Si的GaAs熔体33从与籽晶34接触的一侧(下侧)向其上侧固化。另一方面，与GaAs熔体33的固化同时地，置于容器35中的原料36从容器35 下侧向其上侧熔化。因为来源于原料36的熔体37滴入置于密封剂40下的含Si的GaAs熔体33，所以可以补偿坩锅中的熔体中的Si浓度随晶体生长的变化，因此可制造出具有均勻载流子浓度的GaAs晶体38。日本专利公开9-52788(专利文献2)公开了一种装置，其中将原料填装进置于坩锅上的锥形容器。而且在该装置中，半导体多晶从容器下侧向其上侧熔化，同时晶体从坩锅的下侧向其上侧生长。因此，类似于专利文献1中公开的装置，可通过将原料的熔体滴入坩锅中而补偿坩锅中熔体中的Si浓度随晶体生长的变化。引证文献列表专利文献PTL 1 日本专利公开 2005-350295PTL 2 日本专利公开9-52788
发明内容
技术问题但是，在专利文献1公开的装置中，当容器下侧处的原料的一部分熔化时，容器上侧处的原料的一部分向下沉。在该装置中，量重器39通过监视容器的重量来控制滴速，但是熔体的滴速会复杂地变化，这是因为容器中垂直方向上的原料的位置会发生变化。这将使原料的温度控制变得复杂，因此会劣化具有均勻杂质浓度的半导体晶体的制造再现性。在专利文献2公开的装置中，容器和原料块的形状需要精确地相同，以便将原料保持在预定位置。当容器和原料块的形状没有精确地保持相同时，例如当原料的锥角小于容器的锥角时，原料块将在容器中从预定位置向下位移。如果原料从预定位置移开，则熔体的滴速将从所需速度复杂变化，因此所制造的半导体晶体的杂质浓度将不会均勻。专利文献2描述了通过设定温度梯度，例如可为原料设定30°C/cm的陡梯度，来防止原料从预定位置位移。为了实现这种陡的温度梯度，需要冷却原料的上侧。但是，因为通过加热器施加的热量在炉体中通过气体对流向上输运，所以难以高可控性地产生这种温度梯度。在专利文献2中，因为原料通过与容器的摩擦而被承载在预定位置，所述可被承载在容器中的原料的重量受限，并且还存在由于磨损而产生的容器碎屑、由于碎屑掉落而产生的污染等等。因此，专利文献2中公开的装置存在的问题例如在于不能制造具有较大直径和较长的半导体晶体。此外，通过与原料摩擦而被磨损的一部分容器碎屑会掉进坩锅中。鉴于上述问题，本发明的一个目的是提供用于制造具有优良杂质浓度均勻性的半导体晶体的方法和装置以及半导体晶体。问题的解决方案本发明涉及一种制造半导体晶体的方法，包括在纵向容器中放置籽晶和含杂质熔体，并从与籽晶相接触的下侧向上侧固化含杂质熔体，其中通过将滴落原料块的熔体滴入置于所述纵向容器的底部(Ib)中的所述籽晶和所述含杂质熔体的同时从与所述籽晶相接触的下侧至上侧固化所述含杂质熔体，来制造所述半导体晶体，其中，所述滴落原料块悬置于所述底部的上方并且由杂质浓度低于所述含杂质熔体的杂质浓度的半导体材料制成。优选地，在上述制造方法中，纵向容器具有放置籽晶和含杂质熔体的底部以及在纵向上位于底部上的上部，制造方法包括如下步骤准备在底部放置了籽晶和含杂质熔体并具有在上部设置了悬置滴落原料块的悬置部的纵向容器，且相关于在纵向容器的纵向上提供的温度梯度移动纵向容器，且在所述的相对移动的步骤中，在滴落所述滴落原料块的所述熔体的同时，从与所述籽晶相接触的一侧固化所述含杂质熔体。优选地，在上述制造方法中，准备步骤包括以下步骤将由半导体材料和杂质制成的原料置于设置在底部的籽晶上，将滴落原料块悬置在设置在上部的上方的悬置部上，并熔化由半导体材料和杂质制成的原料，从而将含杂质熔体设置在籽晶上。优选地，在上述制造方法中，至少部分悬置部和至少部分滴落原料块彼此嵌合，以致朝着含杂质熔体悬置滴落原料块。优选地，在上述制造方法中，满足((l-k)-O. 25) ^ S1/S2 ^ ((l_k)+0. 25)，其中 Sl表示滴落原料块的水平横截面积，S2表示半导体晶体的水平横截面积，且k表示含杂质熔体中含有的杂质的分凝系数。优选地，在上述制造方法中，籽晶、含杂质熔体和滴落原料块由GaAs，InP, InAs和 GaP构成的组中的至少一种半导体材料制成，且杂质是In，Zn，Si，Al，S，Sn，Se，Te，Cr，C， 0，Fe和( 构成的组中的至少一种。优选地，在上述制造方法中，籽晶、含杂质熔体和滴落原料块由选自Ge，Si和GeSi 中的至少一种半导体材料制成，且杂质是As，Ga, In, P，B和Sb构成的组中的至少一种。优选地，在上述制造方法中，悬置部由BN，pBN, Al2O3，AlN, SiC，石英，Mo，W，Ta禾口不锈钢构成的组中的至少一种制成。本发明还涉及一种用于半导体晶体的制造装置，包括在纵向容器中放置籽晶和含杂质熔体，并从接触籽晶的下侧向上侧固化含杂质熔体。制造装置包括纵向容器，其具有在其中放置有籽晶和含杂质熔体的底部、以及在纵向上位于底部上方的上部，在纵向容器的上部设置有用于悬置滴落原料块并朝向含杂质熔体的悬置部，该原料块由杂质浓度低于含杂质熔体的半导体材料制成，以及温度控制单元，其在纵向容器的纵向上提供温度梯度。优选地，在上述制造装置中，悬置部由BN，pBN, Al2O3，AlN, SiC，石英，Mo, W，I1a和不锈钢构成的组中的至少一种制成。本发明还涉及一种半导体晶体，其中载流子浓度或杂质浓度的变化率在0. 1至 0. 8的固化分数下小于或等于0. 5。优选地，在上述半导体晶体中，半导体晶体由GaAs，InP, InAs和GaP构成的组中的至少一种半导体材料制成，且杂质是In，Zn，Si，Al，S，Sn，Se，Te，Cr, C，0，Fe和( 构成的组中的至少一种。优选地，在上述半导体晶体中，半导体晶体由Ge，Si和GeSi构成的组中的至少一种半导体材料制成，且杂质是As，Ga, In, P，B和Sb构成的组中的至少一种。本发明的有益效果根据本发明，可提供制造具有优良载流子浓度和杂质浓度均勻性的半导体晶体的方法和装置以及半导体晶体。
图1是示出根据本发明的制造方法的示意图。图2A是示出悬置部的一种示例性形状的示意图。图2B是示出适用于图2A中所示的悬置部的原料块的形状的示意图。图3A是示出悬置部的另一示例性形状的示意图。图;3B是示出适用于图3A中所示的悬置部的原料块的形状的示意图。图4是根据本发明的制造装置的一个优选实例的示意性截面图。图5是示出原料块的熔体的滴速和纵向容器的移动距离之间关系的曲线图。图6是用于半导体晶体的常规制造装置的一个实例的示意性截面图。图7是用于半导体晶体的常规制造装置的另一实例的示意性截面图。
具体实施例方式以下将说明本发明的实施例。应注意，在本申请的附图中，相同的附图标记应表示相同的部分或相应的部分。此外，固化分数相对地表示半导体晶体的生长方向上的结晶部分的位置。因此，在本说明书中，固化分数是一种指数，其用0表示半导体晶体的生长开始点，其随着半导体晶体的生长而增大，且用1表示生长结束点。分凝系数(k)是通过生长的半导体晶体中的杂质浓度(Cl)除以熔体中的杂质浓度(C2)而获得的值(k = C1/C2)。<第一实施例制造半导体晶体的方法>图1是示出根据本发明的制造半导体晶体的方法的示意图。如图1中所示，根据本实施例的用于制造方法的晶体制造装置100包括纵向容器 1，其具有底部Ib以及在纵向上位于底部Ib上的上部la。纵向容器1可由单一部件构成。 即底部Ib和上部Ia可由相同的部件构成。或者，纵向容器1可由多个部件构成。例如，可将构成底部Ib的部件和构成上部Ia的部件集成到一起。晶体制造装置100还包括悬置部2，其提供在纵向容器1的上部Ia中；耐热容器 3，其装有纵向容器1和悬置部2 ；以及下轴7，用于在垂直方向上移动耐热容器3。此外，作为可在耐热容器3中的纵向(以下也称为“垂直方向”)上设定温度梯度的温度控制单元的加热器(未示出)被设置在耐热容器3周围。S卩，因为下轴7在垂直方向上的移动，所以纵向容器1可相关于温度梯度在垂直方向上移动。在本实施例中，悬置在底部Ib上方的滴落原料块(以下称为“原料块”)的熔体滴入置于纵向容器1的底部Ib中的籽晶和含杂质熔体。此时，用作原料块的半导体材料的杂质浓度低于含杂质熔体的杂质浓度。随后，在含杂质熔体从其接触籽晶的下侧向其上侧固化的同时，熔体滴落。由此可制造具有均勻杂质浓度的半导体晶体。上述制造方法例如可通过如下步骤实现准备纵向容器1，其具有置于底部Ib中的籽晶8和含杂质熔体9，以及设置在上部Ia中用于悬置原料块11的悬置部2(参见图 1(a))，且随后相关于纵向容器1的纵向上提供的温度梯度(参见图1中的曲线图)来相对地移动纵向容器1。或者，该方法可通过以下步骤实现在不移动纵向容器1的情况下，可通过控制加热器的温度以改变纵向容器1的纵向上提供的温度梯度。参考图1，将详细说明通过相关于纵向容器1的纵向上提供的温度梯度相对地移动纵向容器的制造半导体晶体的方法的情况。应注意，在本实施例中，制造含Si作为杂质 (掺杂剂)的GaAs晶体作为半导体晶体。
《准备纵向容器的步骤》首先如图1(a)中所示，准备纵向容器1，其具有置于底部Ib中的籽晶8和含杂质熔体9以及设置在上部Ia中用于悬置原料块11的悬置部2。例如，可如下执行上述步骤。1.在籽晶上放置原料的步骤首先，将籽晶置于纵向容器1的底部Ib中，且随后将由半导体材料和杂质(掺杂剂)构成的原料置于该籽晶8上。具体而言，将由GaAs制成的籽晶8置于纵向容器1的底部Ib中，且将由作为半导体材料的GaAs和作为杂质的Si制成的原料(以下也称为“固体原料”)设置在该籽晶8上。 注意，GaAs和Si可以是单晶或多晶的。而且，将由化03制成的密封剂10置于固体原料上。固体原料的半导体材料可以是化合物半导体，除GaAs之外还例如是hP，InAs或 GaP，且在这种情况下，固体原料的杂质优选是选自In，Zn，Si，Al，S，Sn，Se，Te，Cr，C，0，Fe 和( 中的至少一种。或者，构成固体原料的半导体材料可以是诸如Ge，Si和GeSi的半导体材料，且在这种情况下，构成固体原料的杂质优选是选自As，Ga, In, P，B和Sb中的至少一种。这里，构成固体原料的GaAs和Si将在下文说明的步骤中熔化，从而转变成含杂质熔体9。因此，固体原料中GaAs的质量和Si的质量等于含杂质熔体9中GaAs的质量和Si 的质量。杂质浓度通常在1 X IO15至3 X IO19CnT3的范围内。对于所制造的半导体晶体的杂质浓度来说，在半导体晶体中产生载流子的杂质 (例如GaAs晶体或MP晶体中的Zn，Si，S，Sn, %或Te等)浓度可通过霍尔测量等来评估，但还可通过SIMS分析等直接进行分析。而且，也可通过SIMS分析、ICP分析、GDMS分析、FIlR分析等来测量在半导体晶体中不产生载流子或产生很少载流子的杂质(例如GaAs 晶体中的In，Al，Cr，C，0，或hP晶体中的Al，!^e或( 等)浓度。诸如GaP，InAs, Ge，Si， GeSi等的半导体晶体的杂质浓度还可类似地通过SIMS分析、IC析、GDMS分析等进行测量。2.悬置原料块的步骤然后，将杂质浓度低于含杂质熔体9的杂质浓度的原料块11悬置在悬置部2上。具体而言，将原料块11悬置在设置于纵向容器1的上部Ia中的悬置部2上，该原料块11的Si浓度低于含杂质熔体9，即，含作为杂质的Si的GaAs熔体9 (以下称为Si-GaAs 熔体)的Si浓度。原料块11可以是多晶或单晶的，且可以是单一原料块或由多种原料块构成。当原料块11包含杂质且杂质具有小于1的分凝系数时，原料块11可包含浓度低于纵向容器1中的Si-GaAs熔体的杂质浓度的杂质。注意，当杂质具有大于或等于1的分凝系数时，原料块11则需要包含浓度高于纵向容器1中的Si-GaAs熔体9的杂质浓度的杂质。在该步骤中，设置在纵向容器1的上部Ia中的悬置部2的至少一部分和作为滴落原料的原料块11的至少一部分彼此嵌合，以便原料块11朝向纵向容器1中的Si-GaAs熔体9悬置。悬置部2应将原料块11仅悬置在基本上垂直位于纵向容器1中的Si-GaAs熔体 9上方的、且使得原料块11不与Si-GaAs熔体9接触的位置处，且并不限于图1(a)中所示的上部Ia的位置。悬置部2例如可与纵向容器1集成到一起或可以固定到耐热容器3上。
8悬置部2优选由选自BN (氮化硼)，pBN (热解BN)，Al2O3 (氧化铝)，AlN (氮化铝)，SiC (碳化硅)，石英，Mo(钼)，W(钨)，Ta(钽)和不锈钢中的至少一种构成。它们具有高耐热性且在高温下具有高强度，且因此可防止悬置部2的碎屑、由碎屑掉落导致的污染等。鉴于耐热性考虑，耐热容器3优选由气密碳，BN, pBN, Al2O3，AlN, SiC，石英，Mo, W, Ta或其复合材料制成。3.在籽晶上设置含杂质熔体的步骤接着，借助加热器等将纵向容器1的底部Ib加热至或加热高于GaAs的熔点温度， 从而熔化GaAs和Si以产生Si-GaAs熔体9。应注意，这时优选在纵向容器1的垂直方向上提供温度梯度，以便不熔化籽晶8。如图1(a)中所示，通过执行上述步骤1至3，可准备出具有置于底部Ib中的籽晶 8和Si-GaAs熔体9并具有设置在上部Ia中用于悬置原料块11的悬置部2的纵向容器1。 或者，在这种情况下也可通过以下方法准备纵向容器1。具体而言，首先，由GaAs制成的籽晶8置于纵向容器1的底部Ib中，且作为固体原料的GaAs和Si设置在籽晶8上。随后，借助加热器通过加热来熔化GaAs和Si，由此在籽晶8上设置Si-GaAs熔体9。注意，由化03制成的密封剂10可置于Si-GaAs熔体9上。 随后以与上述类似的方式悬置原料块11。也可通过该方法准备图1(a)中所示的纵向容器
Io《相关于温度梯度来相对地移动纵向容器的步骤》在通过上述步骤准备好具有设置于其中的籽晶8、Si-GaAs熔体9和原料块11的纵向容器1之后，相关于温度梯度来相对地移动纵向容器1。即如图1的曲线图所示，在(a) 图中，相关于通过未示出的加热器在垂直方向上设定的温度梯度在垂直方向上相对地移动耐热容器3。由此熔化原料块11且在生成的熔体滴入Si-GaAs熔体9的同时固化Si-GaAs 熔体9，从而制得GaAs半导体晶体。注意，在图1中，图中左侧的曲线图示出在纵向容器1 的纵向上提供的温度梯度，且(a)至(d)分别示出相关于曲线图中所示的温度梯度的相对位置以及Si-GaAs熔体9、原料块11以及半导体晶体12在该情况下的状态。具体而言，首先借助加热器的温度控制在耐热容器3中的垂直方向上建立图1的曲线图中所示的温度梯度。这时，承载了纵向容器1的耐热容器3相关于图1的曲线图中所示的温度梯度处于图1(a)中所示的位置处。虽然图1的曲线图示出在加热器的垂直方向上产生的热温度的温度梯度，但其实质上表示位于与垂直方向上的各个加热器的位置相同的位置处的耐热容器3中的纵向容器1及其中的各个部件的温度。这意味着图1的曲线图表示耐热容器3中建立的温度梯度。注意，曲线图横轴的“熔点”表示“GaAs的熔点”。S卩，在图1 (a)中，纵向容器1中的籽晶8位于温度梯度的X区域中，该区域中的温度向上方升高，Si-GaAs熔体9位于温度梯度的Y区域中，该区域中的温度保持在大于或等于熔点的温度，且原料块11位于温度梯度的Z区域中，该区域中的温度向上方降低。随后，支撑耐热容器3的支撑轴7向下移动，因此耐热容器3相关于温度梯度向下移动。借助该移动过程，纵向容器1中的Si-GaAs熔体9逐渐从其与籽晶8相接触的下侧移动至小于其熔点的温度区域。这里，支撑轴7的移动速度设定为使位于大于或等于熔点的温度区域中的GaAs完全熔化且位于小于熔点的温度区域中的GaAs完全固化。因此，当耐热容器3随支撑轴7的移动已经相关于温度梯度移动到图1(b)中所示的位置时，即当Y区域的顶端已经到达原料块11的底端附近且Y区域的底端已经到达纵向容器1的锥形部分的顶端时，在位于温度梯度的X区域中的纵向容器1的部分中将存在向上生长的GaAs晶体12，且在位于温度梯度的 Y区域中的纵向容器1的部分中将存在Si-GaAs熔体9。原料块11已经在温度梯度的Z区域中移动并保持固态，这是因为Z区域的温度小于熔点。注意，在图1(b)中所示情况下，固化分数通常小于或等于0.1。随后，支撑轴7以预定速度进一步向下移动，以致原料块11逐渐从其下侧移动至大于或等于熔点的温度区域。因此原料块11逐渐从其底端熔化，且生成的GaAs熔体13朝向Si-GaAs熔体9滴落。同时，Si-GaAs熔体9逐渐从下侧移动至小于熔点的温度区域，以致GaAs晶体12持续向上生长。因此，在随着耐热容器3相对于加热器相对向下移动而移动至例如图1(c)所示的位置后，生长的GaAs晶体12将存在于位于X区域中的纵向容器1的部分中，Si-GaAs熔体 9将存在于位于Y区域中的纵向容器1的部分中，且原料块11将存在于位于Z区域中的纵向容器1的部分中。此外，通过耐热容器3继续相关于温度梯度向下移动来进行晶体生长，以致如图 1(d)中所示，纵向容器1中的大部分Si-GaAs熔体9生长为GaAs晶体12。最后，完成整个 Si-GaAs熔体9的晶体生长，且GaAs晶体12的固化分数达到1，从而结束该制造方法。根据半导体晶体的上述制造方法，在上述设定温度梯度的环境下将来源于原料块 11的GaAs熔体13滴入Si-GaAs熔体9的同时生长GaAs晶体12。因此，通过适当设定原料块11的熔化速度Vl (GaAs熔体13的滴落速度)、GaAs晶体12的生长速度v2、杂质的分凝系数k、GaAs熔体13中的杂质浓度Cl以及Si-GaAs熔体9中的杂质浓度C2的相应参数之间的相互关系，可补偿由于从原料块11滴落GaAs熔体13造成的Si-GaAs熔体9中的杂质浓度的变化。通过这种对Si-GaAs熔体9中的杂质浓度变化的补偿，因此可制造具有优良均勻性的杂质浓度和载流子浓度的半导体晶体。另一方面，如果作为滴落原料的原料块11在GaAs晶体12生长期间在垂直方向上位移，则需要调整上述设定的温度梯度以适应上述位移。但是，根据本实施例，原料块11通过嵌合于悬置部2而被保持在预定位置，且因此不会在垂直方向上发生位移。因此，不存在由滴落原料的偏移造成的GaAs熔体13滴速的复杂变化。因此，易于设定上述参数，因此能高再现性地制造具有优良的杂质浓度的均勻性的半导体晶体。此外，因为原料块11处于悬置状态且不同于专利文献2中公开的通过摩擦保持原料的结构，所以原料重量的容许范围大于专利文献2中的情况。因此，根据本发明，可制造较大直径和较长的半导体晶体。而且，原料块11和悬置部2具有小的接触面积或不具有接触面积，可避免悬置部2的磨损和碎屑、由掉落的碎屑导致的污染等。因为在本实施例中的耐热容器3在垂直方向上移动，所以纵向容器1和悬置部2 可在装置中的垂直方向上整体移动。在这种情况下，可容易地将悬置部2和纵向容器1之间的距离保持为恒量，所以可高精度地控制GaAs熔体13的滴落量。在不移动耐热容器3的情况下可相对移动纵向容器1。注意，当纵向容器1和悬置部2不整体移动时，需要在考虑纵向容器1和悬置部2之间的距离发生变化的情况下设定温度梯度。此外，除了在垂直方向上移动耐热容器3、纵向容器1和悬置部2之外，可移动加热器以使得图1中所示的温度梯度相对于耐热容器3向上偏移。可通过在不移动纵向容器 1的情况下控制加热器的温度来偏移在纵向容器1的纵向上提供的温度梯度。悬置部2和原料块11可具有图2A和2B以及图3A和中所示的结构。图2A是示出悬置部的形状的一个实例的示意图，且图2B是示出适用于图2A中所示的悬置部的原料块的形状的示意图。图3A是示出悬置部的形状的另一实例的示意图，且图:3B是示出适用于图3A中所示的悬置部的原料块的形状的示意图。注意，为了描述方便，每个附图所示出的是在上部Ia的上侧和下侧被水平切割的纵向容器1。在图2A中，悬置部2由杆状部件加和环状部件2b构成。在图2B中，原料块11 具有形成在其中的通孔11a，该通孔Ila中可插入悬置部2的杆状部件加。杆状部件加穿入形成在纵向容器1的侧面上的孔以及置于纵向容器1的内部空间中的原料块11的通孔 11a，且环状部件2b嵌合在插入的杆状部件加的两端上。借助这种结构，原料块11可朝向底部Ib被悬置。在图3A中，悬置部2c提供在纵向容器1的内壁中并具有杆状形状，且基本平行于垂直方向地而设置于纵向容器1的内壁中。当使用这种悬置部2c时，利用图:3B中所示的原料块Ilc作为原料块，所述原料块Ilc在对应于悬置部2c的位置处形成有沟槽。在这种情况下，悬置部2c嵌合于原料块Ilc的沟槽中，因此可在纵向容器1中向下悬置原料块11c。<第二实施例制造半导体晶体的方法>第二实施例满足((l-k)-O.25) ( S1/S2 ( ((l_k)+0. 25)，其中 Sl 表示原料块 11 的水平横截面积，S2表示所制造的GaAs晶体12的水平横截面积且k表示Si-GaAs熔体9 中含有的杂质的分凝系数。注意，因为第二实施例中的制造方法的相应步骤与第一实施例中的相应步骤相同，所以不再赘述相应步骤的说明。将在下文说明上述等式是怎样获得的。 在本实施例中，当保证((l-k)-O. 125)彡S1/S2彡((l-k)+0. 125)时，可制造具有更优良的均勻性的半导体晶体。在本实施例中，耐热容器3相关于温度梯度向下移动。因此原料块11和Si-GaAs 熔体9将相关于温度梯度以相同速度向下移动。因此，原料块11的熔化速度vl和GaAs晶体12的生长速度v2可分别由下述等式⑴和(2)表示vl = v0 X Sl (其中vO表示耐热容器3的移动速度，且Sl表示原料块11的水平横截面积)··· (1)v2 = vO X S2 (其中S2表示GaAs晶体12的横截面积)· · · (2)现在考虑微分时间dt。假设GaAs熔体中的Si量在某一时间点为C0，则在从该时间点至微分时间dt过程中固化的GaAs熔体中包含的Si量可表示为C0Xv2Xdt。但是实际上，不是所有在微分时间dt过程中固化的GaAs熔体中包含的Si都将包含在GaAs晶体中，而是因为分凝使得由下述等式C3)表示的Si量qm将包含在GaAs熔体中而不会混入 GaAs晶体中。这里k表示Si的分凝系数。qm = (l_k) X CO X v2 X dt. · · (3)另一方面，在微分时间dt中滴落的GaAs熔体的量w可表示为vlXdt。如果滴落的GaAs熔体中的Si量远小于qm，则在满足下述等式(4)的情况下，GaAs熔体中的Si浓度可保持恒量(=CO)qm/w = CO... (4)
接着从等式(1)至中可以看出，在理想情况下，GaAs熔体中的Si浓度在满足等式(5)的情况下可保持恒量(1-k) = S1/S2…(5)但实际上，悬置原料的熔化速度vl以及GaAs晶体的生长速度v2会根据熔炉结构、加热器的输入功率、悬置原料的尺寸和长度以及晶体生长而发生变化。因此，研究集中于Sl与S2的比率(S1/S2)，本发明人已经发现可在下述等式(6)的范围内的0. 1至0. 8的固化分数下能够获得具有均勻的Si浓度(杂质浓度)和载流子浓度(电子浓度)的晶体。 还发现在下述等式(7)的范围内，可在0.1至0.8的固化分数下获得具有更均勻的Si浓度和载流子浓度的晶体。还发现在0. 1至0. 85的较宽范围的固化分数下，可获得具有均勻的 Si浓度和载流子浓度的晶体。((1-k) -0. 25) ( S1/S2 ( ((1-k) +0. 25). . . (6)((1-k)-0. 125) ( S1/S2 ( ((1-k)+0. 125)..· (7)如上所述，当满足上述等式(6)并进一步满足上述等式(7)时，可精确地补偿由 GaAs熔体13滴落导致的Si-GaAs熔体9中杂质浓度的变化。在本实施例中，作为杂质的Si的分凝系数是0. 14，且当代入上述等式(6)时可获得下述等式⑶0. 61 彡 S1/S2 彡 1. 11. · · (8)在本实施例中，通过利用将其水平横截面积Sl形成为满足上述等式(8)的原料块作为原料块11，可精确地补偿由Si的分凝系数造成的Si-GaAs熔体9中杂质浓度的变化。 注意，在晶体制造装置100中，所制造的GaAs晶体12的横截面积S2等于纵向容器1的内部空间的横截面积S0，因此可容易地计算出S1/S2。此外，根据本实施例，因为原料块11悬置在如上所述的简单结构上，所以几乎不用限制要被熔化的原料块11的截面形状，且因此可容易地改变截面以致原料块11的横截面积满足上述等式(6)，且更优选地满足上述等式(7)。<第三实施例半导体晶体制造装置>《晶体制造装置的结构》图4是根据本实施例的制造装置的一个优选实例的示意性截面图。根据本实施例的晶体制造装置100包括垂直的纵向容器1，其用于在底部Ib放置籽晶8并在籽晶8上放置Si-GaAs熔体9，且容器1包括设置在该纵向容器1中的上部 Ia中的悬置部2，该悬置部2在纵向上位于底部Ib上方且用于将Si浓度低于Si-GaAs熔体9的Si浓度的原料块11朝向Si-GaAs熔体9悬置，以及用于加热纵向容器1的加热器 4a 至 4e。晶体制造装置100还包括装有纵向容器1和悬置部2的耐热容器3，用于密封耐热容器3的化03密封部5，容纳耐热容器3和加热器如至如的室6，以及用于在垂直方向上移动耐热容器3的下轴7。在纵向容器1中，可将化03制成的密封剂10置于Si-GaAs熔体 9上。悬置部2仅将原料块11悬置在纵向容器1中的基本上垂直位于Si-GaAs熔体9上方的且不与Si-GaAs熔体9接触的位置处，且不限于图4中所示的上部Ia的位置。悬置部 2优选由选自BN (氮化硼)，pBN (热解BN)，Al2O3 (氧化铝)，AlN (氮化铝)，SiC (碳化硅)，石英，Mo(钼)，W(钨)，Ta(钽)和不锈钢构成的组中的至少一种构成。它们具有高耐热性且在高温下具有高强度，且因此可防止悬置部2的碎屑、由碎屑掉落导致的污染等。鉴于耐热性考虑，耐热容器3优选由气密碳，BN, pBN, Al2O3，AlN, SiC，石英，Mo, W, Ta、不锈钢或其复合材料制成。加热器如至如都设置为围绕耐热容器3。加热器如至如可在耐热容器3的垂直方向(纵向容器1的垂直方向)上设置温度梯度。注意，加热器的数量以及各个加热器的设置都不限于此，且仅应将它们构造为能在耐热容器3的垂直方向上建立温度梯度。B2O3密封部5设置在耐热容器3的缺口处。通过加热器——例如加热器4d所加热的B2O3被熔化，由此密封耐热容器3。当利用密封的耐热容器3生长GaAs晶体12时，生长中的GaAs晶体12不太可能受到外界环境的影响，且因此能稳定生长。例如可使用没有缺口的密封型耐热容器来代替提供化03密封部5。例如，可使用利用燃烧器等进行真空密封的石英制耐热容器。支撑耐热容器3的下轴7可相对于室6在垂直方向上移动。因此耐热容器3随下轴7的移动而相对于室6在垂直方向上移动。因此，耐热容器3中的各个部分都可相对于在室6中建立预定温度梯度的加热器在垂直方向上移动。注意，耐热容器3相对于加热器 4a至如在垂直方向上移动的模式并不限于此。例如，也可在垂直方向上移动加热器如至 4e，而不是移动下轴7和耐热容器3。或者，可通过在不移动纵向容器1的情况下控制加热器如至如的温度而偏移在纵向容器1的纵向上提供的温度梯度。《晶体制造装置的操作》在晶体制造装置100中，加热器如至如产生热量，以致在耐热容器3的垂直方向上建立例如图1中的曲线所示的温度梯度。容纳在耐热容器3中的各个部件的温度取决于通过加热器产生的热量而建立的温度梯度。因此在其中设置有籽晶8、Si-GaAs熔体9以及原料块11的纵向容器1的垂直方向上建立图1中的曲线图中所示的温度梯度。此后，支撑单元7向下移动，以使得耐热容器3也相关于温度梯度而相对地向下移动。通过相关于温度梯度而相对地向下移动耐热容器3，Si-GaAs熔体9从其接触籽晶8的下侧开始固化。另一方面，原料块11在其下端熔化且熔体滴入Si-GaAs熔体9。借助上述结构，可通过滴落的GaAs熔体来补偿Si-GaAs熔体9中的杂质浓度的变化，由此可均勻化生长中的GaAs晶体中的载流子浓度和杂质浓度。在本实施例中，因为原料块11直接悬置在纵向容器1中，所以即使在原料块11的下部熔化的情况下，原料块11也不会在垂直方向上发生任何位移。因此，在晶体制造装置 100中，不会出现由滴落原料的位移造成的GaAs熔体13的滴速的复杂变化。因此，可容易地设定用于补偿Si-GaAs熔体9中的载流子浓度和杂质浓度变化的各种参数，由此可高再现性地制造具有优良的载流子浓度和杂质浓度均勻性的半导体晶体。<第四实施例半导体晶体>在本发明中，所制造的具有优良的载流子浓度和杂质浓度的半导体晶体在0. 1至 0. 8的固化分数下具有小于或等于0. 5的载流子浓度的变化率。在0. 1至0. 85的固化分数下，载流子浓度的变化率小于或等于0. 5。通过下述等式(9)计算出载流子浓度的变化率的数值。在下述等式(9)中，C(Max)表示半导体晶体中载流子浓度最高的部分中的载流子浓度，且C(Min)表示半导体晶体中载流子浓度最低的部分中的载流子浓度。注意，载流子浓度的变化率用作表示半导体晶体中的杂质浓度均勻性的指标。(C (Max) -C (Min)) /C (Min)... (9)在本发明中，所制造的具有优良的载流子浓度和杂质浓度均勻性的半导体晶体在 0. 1至0. 8的固化分数下具有小于或等于0. 5的杂质浓度变化率。此外，在0. 1至0. 85的固化分数下，杂质浓度变化率可小于或等于0.5。杂质浓度的变化率是通过下述等式(10) 计算出的数值。在下述等式(10)中，I(Max)表示半导体晶体中杂质浓度最高的部分中的杂质浓度，且I(Min)表示半导体晶体中杂质浓度最低的部分中的杂质浓度。注意，杂质浓度的变化率用作表示半导体晶体中的杂质浓度均勻性的指标。(I (Max) -I (Min))/I (Min)…(10)半导体晶体中的半导体应仅为诸如GaAs，InP, InAs或GaP的化合物半导体。对于杂质来说，可包含选自In，Zn，Si，Al，S，Sn，Se，Te，Cr，C，0，Fe和( 构成的组中的至少一种物质。或者，半导体晶体中的半导体可以是诸如Ge，Si或GeSi的半导体。对于杂质来说，可包含选自As，Ga, In, P，B和Sb构成的组中的至少一种物质。可通过根据本发明的制造方法高再现性地制造出在0. 1至0. 8的固化分数下具有小于或等于0. 5的载流子浓度或杂质浓度变化率的半导体晶体。在0. 1至0. 85的固化分数下，可仅通过根据本发明的制造方法制造出具有小于或等于0. 5的载流子浓度或杂质浓度变化率的半导体晶体。实例实例1在表1所示的情况下，利用图4中所示的晶体制造装置100制造含Si作为杂质的 GaAs晶体。将在下文说明该制造方法。表1
权利要求
1.一种制造半导体晶体(1 的方法，该方法通过将籽晶(8)和含杂质熔体(9)置于纵向容器(1)中并且从与所述籽晶(8)相接触的下侧至上侧固化所述含杂质熔体(9)来制造所述半导体晶体(12)，其中通过将滴落原料块(11)的熔体(1 滴入置于所述纵向容器(1)的底部(Ib)中的所述籽晶(8)和所述含杂质熔体(9)的同时从与所述籽晶(8)相接触的下侧至上侧固化所述含杂质熔体(9)，来制造所述半导体晶体(12)，其中，所述滴落原料块(11)悬置于所述底部 (Ib)的上方并且由杂质浓度低于所述含杂质熔体(9)的杂质浓度的半导体材料制成。
2.根据权利要求1所述的制造半导体晶体(1 的方法，其中所述纵向容器(1)具有用于在其中放置所述籽晶(8)和所述含杂质熔体(9)的所述底部(Ib)以及在纵向方向上位于所述底部(Ib)上方的上部(Ia)，所述制造方法包括如下步骤准备具有置于所述底部(Ib)中的所述籽晶(8)和所述含杂质熔体(9)并且具有设置于所述上部(Ia)中的用于悬置所述滴落原料块(11)的悬置部(2)的所述纵向容器⑴； 以及相关于在所述纵向容器(1)的纵向上提供的温度梯度来相对地移动所述纵向容器 ⑴，以及在所述的相对移动的步骤中，在滴落所述滴落原料块(11)的所述熔体(1 的同时，从与所述籽晶(8)相接触的一侧固化所述含杂质熔体(9)。
3.根据权利要求2所述的制造半导体晶体(1 的方法，其中所述的准备步骤包括如下步骤将由半导体材料和杂质制成的原料置于所述底部(Ib)中放置的所述籽晶(8)上，将所述滴落原料块(11)悬置在设置于所述上部(Ia)中的所述悬置部( 上，以及熔化由所述半导体材料和所述杂质制成的原料以将所述含杂质熔体(9)设置在所述籽晶⑶上。
4.根据权利要求1所述的制造半导体晶体(1 的方法，其中至少部分所述悬置部( 和至少部分所述滴落原料块(11)彼此嵌合，以使得朝向所述含杂质熔体⑶)来悬置所述滴落原料块(11)。
5.根据权利要求1所述的制造半导体晶体(1 的方法，其中满足((l-k)-O. 25) ( S1/S2 ( ((l-k)+0. 25)，其中Sl表示所述滴落原料块(11)的水平横截面积，S2表示所述半导体晶体(1 的水平横截面积，并且k表示所述含杂质熔体 (9)中含有的杂质的分凝系数。
6.根据权利要求1所述的制造半导体晶体(1 的方法，其中所述籽晶(8)、所述含杂质熔体(9)以及所述滴落原料块(11)由GaAs，InP, InAs和 GaP构成的组中的至少一种半导体材料制成，并且所述杂质是In，Zn, Si，Al，S，Sn, Se, Te, Cr, C，0，Fe和fei构成的组中的至少一种物质。
7.根据权利要求1所述的制造半导体晶体(1 的方法，其中所述籽晶( 、所述含杂质熔体(9)以及所述滴落原料块(11)由Ge，Si和GeSi构成的组中的至少一种半导体材料制成，并且所述杂质是As，Ga, In, P，B和Sb构成的组中的至少一种物质。
8.根据权利要求1所述的制造半导体晶体(1 的方法，其中所述悬置部(2)由BN, pBN, Al2O3，AlN, SiC，石英，Mo, W，Ta和不锈钢构成的组中的至少一种材料制成。
9.一种用于半导体晶体(1 的制造装置(100)，其通过将籽晶(8)和含杂质熔体(9) 置于纵向容器(1)中并且从与所述籽晶(8)相接触的下侧至上侧固化所述含杂质熔体(9) 来制造所述半导体晶体(12)，所述制造装置(100)包括具有底部(Ib)和上部(Ia)的所述纵向容器(1)，所述底部(Ib)用于在其中放置所述籽晶(8)和所述含杂质熔体(9)，所述上部(Ia)在纵向方向上位于所述底部(Ib)的上方； 设置在所述纵向容器(1)的所述上部(Ia)中的用于朝向所述含杂质熔体(9)悬置滴落原料块(11)的悬置部O)，所述滴落原料块(11)由杂质浓度低于所述含杂质熔体(9)的杂质浓度的半导体材料制成；以及用于在所述纵向容器(1)的纵向方向上提供温度梯度的温度控制单元Ga，4b，4c，4d，4e)。
10.根据权利要求9所述的用于半导体晶体(12)的制造装置(100)，其中所述悬置部(2)由BN, pBN, Al2O3，AlN, SiC，石英，Mo, W，Ta和不锈钢构成的组中的至少一种材料制成。
11.一种半导体晶体(12)，其中在0. 1至0. 8的固化分数下，载流子浓度的变化率小于或等于0. 5。
12.—种半导体晶体(12)，其中在0. 1至0. 8的固化分数下，杂质浓度的变化率小于或等于0. 5。
13.根据权利要求12所述的半导体晶体(12)，其中所述半导体晶体由GaAs，InP, InAs和GaP构成的组中的至少一种半导体材料制成，并且所述杂质是In，Zn，Si，Al，S，Sn，Se，Te，Cr，C，0，Fe和( 构成的组中的至少一种物质。
14.根据权利要求12所述的半导体晶体(12)，其中所述半导体晶体由Ge，Si和GeSi构成的组中的至少一种半导体材料制成，并且所述杂质是As，Ga, In, P，B和Sb构成的组中的至少一种物质。
全文摘要
提供一种制造半导体晶体的方法，该方法包括准备具有用于放置籽晶(8)和含杂质熔体(9)的底部(1b)以及具有设置于上部(1a)中并用于悬置由杂质浓度小于含杂质熔体(9)的杂质浓度的半导体材料制成的滴落原料块(11)的悬置部(2)的纵向容器(1)的步骤，以及在纵向容器(1)的纵向上建立温度梯度以熔化滴落原料块(11)，以及从接触籽晶(8)的一侧开始固化含杂质熔体(9)，同时将所制造的熔体(13)滴入含杂质容器(9)中，由此制造半导体晶体(12)。
文档编号C30B11/06GK102471921SQ201080033399
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者川濑智博, 樱田隆 申请人:住友电气工业株式会社