專利名稱：制造氮化物半導(dǎo)體晶體的裝置、制造氮化物半導(dǎo)體晶體的方法和氮化物半導(dǎo)體晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造氮化物半導(dǎo)體晶體的裝置、制造氮化物半導(dǎo)體晶體的方法和氮化 物半導(dǎo)體晶體。
背景技術(shù)：
氮化鋁(AlN)晶體具有6. 2eV的寬能帶隙和約3. Sm1Cm1的高熱導(dǎo)率且還具有高 電阻。因此，AlN晶體和其它氮化物半導(dǎo)體晶體作為用于半導(dǎo)體器件如光學(xué)器件和電子器 件的襯底材料已經(jīng)引起了關(guān)注。關(guān)于生長(zhǎng)這種氮化物半導(dǎo)體晶體的方法，可使用例如升華 法(例如，專利文獻(xiàn)1、非專利文獻(xiàn)1)。非專利文獻(xiàn)1提出實(shí)施下列步驟。首先，將AlN晶體的源材料安放在由碳制成的 坩堝中。其次，將碳質(zhì)坩堝加熱至源材料升華的溫度。通過將所述源材料升華，所述加熱產(chǎn) 生升華氣體，使得能夠在粉末或微粒水平上生長(zhǎng)微小的AlN晶體。同時(shí)，專利文獻(xiàn)1提出，利用下列制造裝置(例如圖4)來制造氮化物單晶。即，所 述制造裝置具有作為加熱單元的感應(yīng)加熱盤管、設(shè)置在所述感應(yīng)加熱盤管內(nèi)部的加熱反應(yīng) 器主體、以及設(shè)置在所述加熱反應(yīng)器主體內(nèi)側(cè)下部的坩堝，所述坩堝用于容納氮化物單晶 源材料。記載了坩堝由石墨制成。因此，上述非專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)1提出，在生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體時(shí)，使用碳 質(zhì)坩堝。記載了承受超過2000°C的高溫是選擇碳用于坩堝的原因。引用列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開2006-27988號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)1 Journal of Crystal Growth (晶體生長(zhǎng)雜志)34 卷，263-279 頁 (1976 年)技術(shù)問題在升華法中，需要對(duì)坩堝進(jìn)行加熱以使氮化物半導(dǎo)體晶體用源材料升華。因此，制 造氮化物半導(dǎo)體晶體的裝置需要對(duì)至少承受高溫具有耐久性。此外，作為承受高溫的材料，在坩堝中使用上述非專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)1中所述 的碳。由于相同的原因，通常將由碳制成的加熱部件和隔熱構(gòu)件布置在坩堝外圍。在安裝 碳質(zhì)加熱部件和隔熱構(gòu)件的情況中，當(dāng)對(duì)坩堝進(jìn)行加熱而使氮化物半導(dǎo)體晶體用源材料升 華時(shí)，布置在坩堝外圍的加熱部件和隔熱構(gòu)件也能夠升華。在那種情況下，升華的碳侵入到 坩堝內(nèi)部，混入到生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體中。隨之發(fā)生的問題是，雜質(zhì)混入到生長(zhǎng)的氮化物半 導(dǎo)體晶體中。因此，本發(fā)明提供了氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置、制造氮化物半導(dǎo)體晶體的方法、 以及氮化物半導(dǎo)體晶體，所述氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置是耐久的且用于制造氮化物半導(dǎo)體晶體，其中可以抑制從坩堝外部的雜質(zhì)的混入。解決問題 的手段本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置為這樣的裝置憑借所述裝置使得含氮化物 半導(dǎo)體的源材料升華并通過升華的源材料氣體的淀積來生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體，且所述裝 置具有坩堝、加熱單元和覆蓋部件。在所述坩堝內(nèi)部設(shè)置源材料。將所述加熱單元設(shè)置在 所述坩堝的外圍，在坩堝外圍處對(duì)坩堝內(nèi)部進(jìn)行加熱。在坩堝與加熱單元之間布置覆蓋部 件。所述覆蓋部件包含第一層和第二層，所述第一層沿與所述坩堝相對(duì)的部件形成，并由熔 點(diǎn)比所述源材料的熔點(diǎn)高的金屬制成，所述第二層沿所述第一層的外圍側(cè)形成，并由構(gòu)成 所述第一層的金屬的碳化物制成。本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法具有下列步驟。準(zhǔn)備用于在內(nèi)部承載源材料 的坩堝和布置在所述坩堝外圍的覆蓋部件。在所述坩堝內(nèi)，加熱所述源材料使得所述源材 料升華，并通過使源材料氣體發(fā)生淀積來生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體。所述準(zhǔn)備步驟包括準(zhǔn)備 覆蓋部件的操作，所述覆蓋部件包含第一層和第二層，所述第一層沿與所述坩堝相對(duì)的部 件形成且由熔點(diǎn)比所述源材料的熔點(diǎn)高的金屬制成，所述第二層沿所述第一層的外圍側(cè)形 成，并由構(gòu)成所述第一層的金屬的碳化物制成。根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置和制造方法，將覆蓋部件布置在坩堝的 外圍。從而可以防止雜質(zhì)從坩堝外部侵入到坩堝內(nèi)部。此外，在覆蓋部件中，沿與坩堝相對(duì)的覆蓋部件形成的第一層由熔點(diǎn)比源材料的 熔點(diǎn)高的金屬制成。從而可以抑制覆蓋部件在源材料升華的溫度下的升華。而且，金屬對(duì) 升華氣體的反應(yīng)性低。從而可以將位于覆蓋部件內(nèi)周上的第一層與升華氣體的反應(yīng)控制為 最少。因此，可防止雜質(zhì)從覆蓋部件侵入坩堝?？傊?，可以抑制雜質(zhì)從坩堝外部到內(nèi)部的侵 入，同時(shí)可以抑制從第一層產(chǎn)生的雜質(zhì)，所述第一層位于所述覆蓋部件與所述坩堝相對(duì)的 側(cè)上。因此，可以抑制雜質(zhì)從坩堝外部到生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體晶體的混入。由此，能夠制造 已經(jīng)將雜質(zhì)的混入控制為最低的氮化物半導(dǎo)體晶體。另外在覆蓋部件的外圍形成的是第二層，所述第二層包含構(gòu)成所述第一層的金 屬、以及碳。在布置在覆蓋部件外圍的加熱部件、隔熱構(gòu)件等部件含有碳的情況中，第二層 減小了與碳的熱膨脹系數(shù)之差，并減小了與第一層的熱膨脹系數(shù)之差。因此，可以抑制覆蓋 部件中的裂紋發(fā)生率。因此，即使在用于升華源材料的高溫條件下，仍能夠生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo) 體晶體而同時(shí)將覆蓋部件的破裂控制為最低。由此，能夠制造耐久性提高的氮化物半導(dǎo)體 晶體。在上述氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置中，優(yōu)選地，所述坩堝由熔點(diǎn)比所述源材料的 熔點(diǎn)高的金屬制成。在上述氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法中，優(yōu)選地，所述準(zhǔn)備步驟還包括準(zhǔn)備由熔點(diǎn) 比所述源材料的熔點(diǎn)高的金屬制成的坩堝的操作。因此，可以抑制坩堝在源材料升華的溫度下的升華。此外，金屬對(duì)升華氣體的反應(yīng) 性低。因此，可以將混入生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體晶體中的構(gòu)成坩堝的材料控制為最少。因此， 能夠制造已經(jīng)進(jìn)一步使雜質(zhì)的混入最小化的氮化物半導(dǎo)體晶體。在上述氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置中，優(yōu)選地，所述加熱單元為RF(射頻)盤管， 其中所述裝置還具有布置在所述覆蓋部件和所述加熱單元之間的加熱部件。
在上述氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法中，優(yōu)選地，所述準(zhǔn)備步驟還包括在所述覆蓋 部件外圍布置加熱部件的操作、以及在所述加熱部件的外圍布置用于加熱所述加熱部件的 RF盤管的操作。使通過RF盤管產(chǎn)生的熱被布置在坩堝外圍的加熱部件吸收，使得能夠通過加熱 部件吸收的熱而對(duì)坩堝進(jìn)行加熱。從而能夠使源材料升華。因此，在具有耐久性的環(huán)境中， 能夠制造已經(jīng) 將雜質(zhì)的混入控制為最低的氮化物半導(dǎo)體晶體。如上所述的氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置優(yōu)選還具有隔熱構(gòu)件，所述隔熱構(gòu)件設(shè)置 在所述加熱部件與所述RF盤管之間，且由孔隙率比所述加熱部件的孔隙率低的材料構(gòu)成。在上述氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法中，優(yōu)選地，所述準(zhǔn)備步驟還包括在所述加熱 部件的外圍布置隔熱構(gòu)件的操作，所述隔熱構(gòu)件由孔隙率比所述加熱部件的孔隙率低的材 料構(gòu)成。在加熱部件外圍布置由孔隙率比所述加熱部件的孔隙率低的材料構(gòu)成的隔熱構(gòu) 件的事實(shí)，使得可防止加熱部件吸收的熱逃逸到隔熱構(gòu)件外部。從而能夠高效地對(duì)坩堝進(jìn) 行加熱。因此，在具有耐久性的環(huán)境中，能夠制造已經(jīng)使雜質(zhì)的混入最小化的氮化物半導(dǎo)體 晶體。通過上述說明的任意一種氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法制造本發(fā)明的氮化物半導(dǎo) 體晶體。根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體晶體，由于在對(duì)從坩堝外部的雜質(zhì)的侵入進(jìn)行抑制的 條件下制造所述晶體，所以能夠?qū)崿F(xiàn)已經(jīng)將雜質(zhì)的混入控制為最低的氮化物半導(dǎo)體晶體。上述氮化物半導(dǎo)體晶體優(yōu)選具有至少IOmm的直徑，并具有不大于2ppm的雜質(zhì)濃度。通過升華法制造上述氮化物半導(dǎo)體晶體，這使得可實(shí)現(xiàn)具有IOmm以上大直徑的 晶體。并且，由于在對(duì)從坩堝外部的雜質(zhì)的侵入進(jìn)行抑制的條件下制造晶體，所以能夠?qū)崿F(xiàn) 2ppm以下的低雜質(zhì)濃度的氮化物半導(dǎo)體晶體。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)表面積大且雜質(zhì)濃度低的氮 化物半導(dǎo)體晶體。發(fā)明效果根據(jù)前述，根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置和制造方法，在坩堝外圍布 置覆蓋部件，所述覆蓋部件包含第一層和第二層，所述第一層沿其內(nèi)周形成，并由熔點(diǎn)比源 材料的熔點(diǎn)高的金屬制成，所述第二層沿所述第一層的外圍側(cè)形成，并由構(gòu)成所述第一層 的金屬的碳化物制成。由此，能夠制造具有耐久性的氮化物半導(dǎo)體晶體，其中將抑制了從坩 堝外部的雜質(zhì)的混入。


圖1為以簡(jiǎn)化形式表示本發(fā)明實(shí)施方案中氮化物半導(dǎo)體晶體的截面圖。圖2為以簡(jiǎn)化形式表示本發(fā)明實(shí)施方案中氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置的截面圖。圖3為以簡(jiǎn)化形式表示本發(fā)明實(shí)施方案中氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置所包含的 坩堝及其周邊的截面圖。圖4為顯示在本發(fā)明實(shí)施方案中制造氮化物半導(dǎo)體晶體的方法的流程圖。圖5為以簡(jiǎn)化形式顯示在本發(fā)明實(shí)施方案中生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體的狀況的部分剖視圖。圖6為以簡(jiǎn)化形式表示第一和第二比較例的氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置的放大 截面圖。圖7為以簡(jiǎn)化形式表示第三和第四比較例的氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置的放大 截面圖。圖8為以簡(jiǎn)化形式表示在本發(fā)明實(shí)施方案中用于制造氮化物半導(dǎo)體晶體的不同 裝置的截面圖。
具體實(shí)施例方式下面，將根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行說明。應(yīng)理解，在下列說明中，附圖中 相同或相當(dāng)?shù)牟糠钟孟嗤膮⒖挤?hào)標(biāo)記，并不再重復(fù)對(duì)其進(jìn)行說明。首先，參考圖1，對(duì)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中的氮化物半導(dǎo)體晶體10進(jìn)行說明。所述 氮化物半導(dǎo)體晶體10具有例如至少10mm、優(yōu)選IOmm 30mm的直徑R和例如至少100 μ m 的厚度H。在所述氮化物半導(dǎo)體晶體10中雜質(zhì)的濃度為例如不大于2ppm。構(gòu)成所述雜質(zhì) 濃度的雜質(zhì)包含例如C(碳)和Si (硅)。在所述氮化物半導(dǎo)體晶體10中C的濃度為例如 不大于lppm，同時(shí)Si的濃度為例如不大于lppm。只要氮化物半導(dǎo)體晶體10為含氮(N)的半導(dǎo)體晶體，則其不受特殊限制；示例性 地，其為In(1_x_y)AlxGayN(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1)，且優(yōu)選為AlN、GaN(氮化鎵)、 InN(氮化銦)等；更優(yōu)選所述晶體為A1N。接下來，參考圖2和3，對(duì)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中用于制造氮化物半導(dǎo)體晶體10的 裝置100進(jìn)行說明。所述制造裝置100通過使含氮化物半導(dǎo)體的源材料17升華而使升華 的源材料氣體淀積，從而生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體10。如圖2和3中所示，本實(shí)施方案中的制造裝置100主要包含坩堝101、作為覆蓋部 件的包覆套管110、加熱部件121、隔熱構(gòu)件127、反應(yīng)容器123以及加熱單元125。所述坩堝101為在內(nèi)部放置源材料17和模板襯底11的位置。所述坩堝101優(yōu)選 由熔點(diǎn)比所述源材料17的熔點(diǎn)高的金屬制成。例如，這種金屬可以為鉭(Ta)、鎢(W)或錸 (Re)及其合金。換言之，所述坩堝101優(yōu)選不含C原子。從而可以減少構(gòu)成坩堝101的材 料在源材料17升華的溫度下的升華。此外，金屬對(duì)所述升華氣體的反應(yīng)性低。而且，這種 金屬是有利的，因?yàn)槠漭椛渎矢?、因?yàn)槠淠蜔嵝愿摺⑶乙驗(yàn)槠錇榭晒I(yè)利用的物質(zhì)。特別地， 優(yōu)選坩堝101為Ta，因?yàn)槠鋵?duì)氮化物半導(dǎo)體的反應(yīng)性低，且其在高溫下具有優(yōu)異的耐熱性。 本文中，上述“熔點(diǎn)”是指在1個(gè)大氣壓下的熔點(diǎn)。坩堝101還具有排氣口 101a。所述排氣口 IOla將坩堝101內(nèi)部的雜質(zhì)排放至坩 堝101的外部。為坩堝提供排氣口 IOla可以抑制異常生長(zhǎng)，從而使得可容易地生長(zhǎng)單晶氮 化物半導(dǎo)體晶體。在坩堝101周圍，布置包覆套管110，從而包覆坩堝101。在本實(shí)施方案中，通過反應(yīng)容器123的進(jìn)氣口 123c和排氣口 123d，所述包覆套管 110保持反應(yīng)容器123與外部的通風(fēng)，且所述包覆套管110將坩堝101密閉在進(jìn)氣口 123c 和排氣口 123d以外的區(qū)域中。特別地，布置所述包覆套管110而與坩堝101間隔一定距離， 同時(shí)除了在進(jìn)氣口 123c和排氣口 123d處之外，所述坩堝101被包覆套管110和反應(yīng)容器123密封。以這種方式，包覆套管110防止雜質(zhì)從包覆套管110外部上的加熱部件121、隔 熱構(gòu)件127、反應(yīng)容器123等侵入坩堝101內(nèi)。應(yīng)注意，不應(yīng)將包覆套管110限制為上述密閉所述坩堝101的結(jié)構(gòu)。S卩，即使包覆 套管110不對(duì)坩堝101進(jìn)行密封，其也將具有上述效果。例如，如圖8中所示，在制造裝置 100中，包覆套管110可在上端和下端具有開口。同樣地，在制造裝置(未示出)中，包覆 套管110可在上端或下端具有開口。在這種情況下，通過使氣體流入包覆套管110的內(nèi)部， 將發(fā)揮與上述密閉結(jié)構(gòu)相同的作用，從而可以防止雜質(zhì)從包覆套管110外部上的加熱部件 121、隔熱構(gòu)件127、反應(yīng)容器123等侵入坩堝101內(nèi)。所述包覆套管110包含在所述坩堝101相對(duì)側(cè)上形成的第一層111、以及沿所述第 一層111的外圍側(cè)形成的第二層112。因此，所述第一層111位于所述包覆套管110的最內(nèi) 周上，同時(shí)所述第二層112位于所述包覆套管110的最外圍上。所述第一層111由熔點(diǎn)比所述源材料的熔點(diǎn)高的金屬制成。例如，這種金屬可以 為Ta、W或Re、及其合金，與構(gòu)成坩堝101的材料相同。特別地，優(yōu)選所述部件由Ta制成。 Ta不易與C反應(yīng)的事實(shí)使得第一層111與升華的C的反應(yīng)最小化。因此，即使在C已經(jīng)通 過進(jìn)氣口 123c侵入包覆套管110內(nèi)部的情況中、以及在坩堝101、加熱部件121和隔熱構(gòu)件 127含有C且它們的碳中任何的碳已經(jīng)侵入包覆套管110內(nèi)部的情況中，其也可以防止與第 一層111的反應(yīng)。并且，即使在Si已經(jīng)侵入包覆套管110內(nèi)部的情況中如在反應(yīng)容器123 含有Si的情況中，所述第一層111也可以使與從反應(yīng)容器123升華并侵入的Si的反應(yīng)最 小化。所述第一層111可以是與坩堝101相同的材料，或其可以是不同的材料。所述第二層112由構(gòu)成第一層111的金屬的碳化物制成。作為這種金屬碳化物的 實(shí)例，可以提及TaC(碳化鉭)、WC(碳化鎢)和ReC(碳化錸)及其合金，同時(shí)優(yōu)選所述部件 由TaC制成。未對(duì)構(gòu)成所述第二層112的金屬和C的比例(摩爾比)進(jìn)行特殊限制；例如， 可以以它們?yōu)? 1的方式形成所述第二層112。例如可通過沿第一層111的外圍側(cè)對(duì)其表面進(jìn)行碳化來形成第二層112?；蛘?，通 過形成第一層111，然后在所述第一層111上安裝第二層112以包覆其外圍，可形成包覆套 管 110。在包覆套管110中金屬的比例可在從包覆套管110的內(nèi)周朝向外圍的方向上單調(diào) 下降。換言之，在包覆套管110中C的比例可從所述包覆套管110的內(nèi)周朝向其外圍的方 向上單調(diào)增大。本文中，上述“單調(diào)下降”是指，從所述包覆套管110的內(nèi)周朝向外圍的方向上，所 述金屬的比例始終相同或下降，且在外圍面中的比例小于在內(nèi)周面的比例。換言之，在“單 調(diào)下降”的情況下不包括金屬比例從內(nèi)周向外圍增大的區(qū)域。且上述“單調(diào)增大”是指，從 包覆套管110的內(nèi)周朝向外圍的方向上，所述C的比例始終相同或增大，且在外圍面中C的 比例大于在內(nèi)周面中的比例。換言之，在“單調(diào)增大”的情況下不包括C的比例從內(nèi)周向外 圍下降的區(qū)域。因此，因?yàn)樗霭蔡坠?10具有上述條件，所以本發(fā)明包括第一層111與 第二層112之間的邊界清晰的情況、以及邊界不清晰的情況。此外，在包覆套管110中，所述第一層111的熱膨脹系數(shù)大于所述第二層112的熱 膨脹系數(shù)。因此，包覆套管110的熱膨脹系數(shù)在從其內(nèi)周朝向其外圍的方向上單調(diào)下降。換 言之，在從所述包覆套管110的內(nèi)周朝向其外圍的方向上，熱膨脹系數(shù)始終相同或下降，同時(shí)外圍面中的熱膨脹系數(shù)小于內(nèi)周面中的熱膨脹系數(shù)。通過C的熱膨脹系數(shù)小于Ta的熱 膨脹系數(shù)的事實(shí)，可減小包覆套管110的內(nèi)周與外圍之間的熱膨脹系數(shù)之差。
此處，形成的包覆套管110可具有位于第一層111和第二層112之間的第三層(未 示出)。在那種情況下，所述第三層優(yōu)選為構(gòu)成第一層111的金屬的碳化物，同時(shí)其金屬的 比例(摩爾比)大于第二層112中金屬的比例。即，優(yōu)選的是，在從包覆套管110的內(nèi)周朝 向外圍的方向上金屬比例單調(diào)下降。換言之，優(yōu)選的是，在從包覆套管110的內(nèi)周朝向外圍 的方向上C的比例單調(diào)增大。應(yīng)理解，所述第三層可具有多個(gè)層。在所述包覆套管110的外圍設(shè)置加熱部件121，且在本實(shí)施方案中，以與包覆套管 110接觸的方式布置所述加熱部件121。作為致密體的加熱部件121從加熱單元125中吸 收熱并對(duì)坩堝101內(nèi)部進(jìn)行加熱。所述加熱部件121由例如石墨制成。碳在2000°C程度的 高溫下具有優(yōu)異的耐熱性，能夠利用RF盤管進(jìn)行加熱，且廉價(jià)。鑒于所述原因，所述加熱部件121優(yōu)選含有C。應(yīng)理解，可省略所述加熱部件121。在所述加熱部件121的外圍設(shè)置隔熱構(gòu)件127，且在本實(shí)施方案中以與加熱部件 121接觸而使得包覆所述加熱部件121整個(gè)外圍的方式布置所述隔熱構(gòu)件127。所述隔熱 構(gòu)件127由孔隙率比加熱部件121的孔隙率更低(孔隙率更低)的材料制成。所述隔熱構(gòu) 件127防止加熱部件121吸收的熱逃逸至外部。應(yīng)理解，隔熱構(gòu)件127自身不易從加熱單 元125吸熱。從耐熱性優(yōu)異和成本低的觀點(diǎn)來看，所述隔熱構(gòu)件127示例性地含有C，例如 所述隔熱構(gòu)件127由以卷成同心圓形式的碳?xì)謽?gòu)成。應(yīng)理解，所述隔熱構(gòu)件127可省略。在所述隔熱構(gòu)件127周圍布置的是反應(yīng)容器123。所述制造裝置100具有進(jìn)氣口 123a和123c，所述進(jìn)氣口 123a和123c在反應(yīng)容器123的一個(gè)端部(在本實(shí)施方案中為下 端)形成且用于使得載氣如氣態(tài)氮(N2)流入例如反應(yīng)容器123內(nèi)部，且所述制造裝置100 具有排氣口 123b和123d，所述排氣口 123b和123d在所述反應(yīng)容器123的另一個(gè)端部(在 本實(shí)施方案中為上端)形成且用于將載氣排放至反應(yīng)容器123的外部。將所述進(jìn)氣口 123a 和排氣口 123b設(shè)置在所述反應(yīng)容器123內(nèi)的包覆套管110的外部。將所述進(jìn)氣口 123c和 排氣口 123d設(shè)置在所述反應(yīng)容器123內(nèi)的包覆套管110的內(nèi)部。這意味著，進(jìn)氣口 123c 使得載氣流入設(shè)置在反應(yīng)容器123內(nèi)部的坩堝101內(nèi)。且排氣口 123d將載氣、雜質(zhì)等從坩 堝101排放至反應(yīng)容器123的外部。應(yīng)理解，所述反應(yīng)容器123可以省略。在所述坩堝101的外圍布置所述加熱單元125，在那里其對(duì)所述坩堝101的內(nèi)部 進(jìn)行加熱。由于本實(shí)施方案中的坩堝101位于反應(yīng)容器123內(nèi)部的中部，所以將加熱單元 125設(shè)置在沿反應(yīng)容器123外側(cè)的中部中。關(guān)于加熱單元125，能夠使用例如RF盤管、電阻 加熱盤管等。通過RF盤管產(chǎn)生的熱不易被金屬吸收。因此，在將RF盤管用作加熱單元125的情況中，對(duì)加熱部件121進(jìn)行加熱從而加 熱坩堝101的內(nèi)部。在利用電阻加熱盤管的情況中，直接加熱坩堝101的內(nèi)部。鑒于所述原 因，在將電阻加熱盤管用作加熱單元125的情況中，可以省略加熱部件121和隔熱構(gòu)件127。另外，在反應(yīng)容器123的上部和下部，提供高溫計(jì)129a和129b，以測(cè)量坩堝101上 端的溫度(沿源材料17的溫度)和其下端的溫度(沿模板襯底11的溫度)。應(yīng)理解，高溫 計(jì)129a和129b可以省略。應(yīng)理解，盡管除了上述部件之外，上述制造裝置100還可包含多種部件，但是為了 便于說明，省略了這種元件的圖示和說明。
接下來，對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案中制造氮化物半導(dǎo)體晶體10的方法進(jìn)行說明。在本實(shí) 施方案中，通過利用圖2和3中所示的制造裝置100的升華法制造氮化物半導(dǎo)體晶體10。首先，準(zhǔn)備如圖2和3中所示的用于在內(nèi)部承載源材料17的坩堝101。所述坩堝 101優(yōu)選由熔點(diǎn)比源材料17的熔點(diǎn)高的金屬制成。其次，形成包覆套管110以作為包覆坩 堝101外圍的覆蓋部件。所述包覆套管110包含第一層111和第二層112，所述第一層111 在與坩堝101相對(duì)的套管處(沿所述套管的內(nèi)周)形成，并由熔點(diǎn)比源材料17的熔點(diǎn)高的 金屬制成，所述第二層112沿所述第一層111的外圍側(cè)形成，并由構(gòu)成第一層111的金屬的 碳化物制成。然后，在包覆套管110外圍布置加熱部件121。接下來，在加熱部件121的外 圍布置隔熱構(gòu)件127，所述隔熱構(gòu)件127由孔隙率比加熱部件121的孔隙率低的材料構(gòu)成。 然后，在隔熱構(gòu)件127的外圍布置反應(yīng)容器123。其后，將加熱單元125放入包圍反應(yīng)容器 123的位置處。總之，參考圖4，在本實(shí)施方案中準(zhǔn)備圖2和3中所示的制造裝置100 (步驟 Si)。接下來，如圖2 4中所示，配置模板襯底11 (步驟S2)。盡管未對(duì)所述模板襯底 進(jìn)行特殊限制，但是優(yōu)選其為原子比與生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體晶體的原子比相同的襯底。將 所述模板襯底11放在坩堝101的上部。應(yīng)理解，步驟S2可以省略。在那種情況下，通過自 發(fā)成核來生長(zhǎng)所述氮化物半導(dǎo)體晶體。然后，配置源材料17 (步驟S3)。盡管未對(duì)所述源材料17進(jìn)行特殊限制，但是優(yōu)選 其純度水平高。例如，在生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體晶體為AlN晶體的情況中，優(yōu)選將燒結(jié)的AlN 源材料用作源材料17。在那種情況下，在所述源材料17中不包含燒結(jié)助劑。將所述源材料 17放在坩堝101的下部，使其與模板襯底11相互面對(duì)。然后，如圖4和5中所示，對(duì)所述源材料17進(jìn)行加熱，從而使所述材料升華，且在 與所述源材料17相對(duì)的坩堝101內(nèi)部的區(qū)域中，淀積源材料氣體，從而生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體 晶體10(步驟4)。在本實(shí)施方案中，通過升華源材料氣體并使其淀積在模板襯底11上來生 長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體10。在該步驟S4中，在生長(zhǎng)AlN晶體作為氮化物半導(dǎo)體晶體10的情況中，對(duì)加熱單元 125進(jìn)行控制，例如，使得沿模板襯底11的溫度為1400°C 1800°C，并使得沿所述源材料 17的溫度為1850°C 2150°C。在生長(zhǎng)GaN晶體作為氮化物半導(dǎo)體晶體10的情況中，對(duì)加 熱單元125進(jìn)行控制，例如，使得沿模板襯底11的溫度為1450°C 1550°C，并使得沿所述 源材料17的溫度為1600°C 1700°C。在該步驟S4中，沿包覆套管110的內(nèi)周側(cè)流動(dòng)的載氣(從進(jìn)氣口 123c流入并通 過排氣口 123d排出的氣體)和沿所述包覆套管110的外圍側(cè)流動(dòng)的載氣(從進(jìn)氣口 123a 流入并通過排氣口 123b排出的氣體)可以相同或不同。優(yōu)選的是，氣態(tài)氮沿反應(yīng)容器123 內(nèi)的包覆套管110的內(nèi)周側(cè)流動(dòng)，并優(yōu)選除了氣態(tài)氮之外的氣體沿所述反應(yīng)容器123內(nèi)的 包覆套管110的外圍側(cè)流動(dòng)。作為沿包覆套管110的外圍側(cè)流動(dòng)的氣體，優(yōu)選流動(dòng)惰性氣 體如氬(Ar)。這種情況使得抑制了氰化氫(HCN)氣體的產(chǎn)生，因此不需要危險(xiǎn)廢物去除裝 置。應(yīng)注意，在使用模板襯底11生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體10的情況中，可以實(shí)施去掉模 板襯底11的步驟。通過前述步驟Sl S4，能夠制造圖1中所示的氮化物半導(dǎo)體晶體10。
在本實(shí)施方案中，生長(zhǎng)具有布置在坩堝101外圍的包覆套管110的氮化物半導(dǎo)體 晶體10(步驟S4)。在升華法中，由于在如前所述的高溫下生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體10，所以 構(gòu)成位于包覆套管110外部的加熱部件121、隔熱構(gòu)件127和反應(yīng)容器123的材料(例如， C、Si等)易于升華。然而，在安裝了包覆套管110的環(huán)境中生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體10，使 得抑制了升華的雜質(zhì)混入到坩堝101的內(nèi)部。此外，在與坩堝101相對(duì)的包覆套管110中形成的第一層111由熔點(diǎn)比源材料17 的熔點(diǎn)高的金屬制成。從而可防止包覆套管110在源材料17升華的溫度下升華。且所述 金屬對(duì)升華氣體的反應(yīng)性低。因此，可防止位于所述覆蓋部件內(nèi)周上的第一層與升華氣體反應(yīng)。這些因素可防止因構(gòu)成包覆套管110的材料升華而產(chǎn)生的雜質(zhì)侵入坩堝101中。以這種方式，利用包覆套管110，可以抑制雜質(zhì)從坩堝101外部侵入到內(nèi)部，且將 由包覆套管110產(chǎn)生的雜質(zhì)控制為最少。因此，可以抑制雜質(zhì)從坩堝101外部混入到生長(zhǎng) 的氮化物半導(dǎo)體晶體10內(nèi)。因此，能夠制造將雜質(zhì)的混入控制為最低的氮化物半導(dǎo)體晶體 10。因此，可防止雜質(zhì)混入到制造的氮化物半導(dǎo)體晶體10中。且通過升華法制造氮化物半 導(dǎo)體晶體10的事實(shí)使得可制造大表面積的氮化物半導(dǎo)體晶體10。因此，能夠制造例如具有 至少IOmm的直徑R和不大于2ppm的雜質(zhì)濃度的氮化物半導(dǎo)體晶體10。此外，在包覆套管110的外圍形成的是第二層112，其含有構(gòu)成第一層111的金屬 和C。在本實(shí)施方案中，安裝含有C的加熱部件121使其與包覆套管110的第二層112的外 圍接觸。所述第二層112使得可減小加熱部件121與第一層111之間的熱膨脹系數(shù)之差。 這使得可減輕在包覆套管110的內(nèi)周側(cè)(其與坩堝101相對(duì)的側(cè))與其外圍側(cè)(其與加熱 部件121和隔熱構(gòu)件127相對(duì)的側(cè))之間的翹曲，由此可以將包覆套管110中裂紋的發(fā)生 率控制為最低。因此，即使在升華源材料17的高溫條件下，也能夠生長(zhǎng)包覆套管110的斷 裂最少的氮化物半導(dǎo)體晶體10。因此，在提高了耐久性的環(huán)境中，能夠制造氮化物半導(dǎo)體晶 體10。特別優(yōu)選的是，利用由熔點(diǎn)高于源材料17的熔點(diǎn)的金屬制成的坩堝101來生長(zhǎng)氮 化物半導(dǎo)體晶體10。因?yàn)樵谀欠N情況下能夠抑制坩堝101自身的升華，所以可以防止源于 構(gòu)成坩堝101的材料的雜質(zhì)混入到生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體晶體10中。因此，能夠制造將雜質(zhì) 的混入控制為最低的氮化物半導(dǎo)體晶體10。因此，能夠?qū)⑼ㄟ^本實(shí)施方案的氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法和制造裝置100制造 的低雜質(zhì)濃度的氮化物半導(dǎo)體晶體10理想地用作器件用襯底，所述器件包括例如光學(xué)器 件如發(fā)光二極管和激光二極管；半導(dǎo)體電子器件如整流器、雙極晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管和高 電子遷移率晶體管(HEMT)；場(chǎng)發(fā)射器；半導(dǎo)體傳感器如溫度傳感器、壓力傳感器、輻射傳感 器和可見-紫外光檢測(cè)器；和表面聲波器件(SAW器件)、振動(dòng)器、共振器、振蕩器、微機(jī)電系 統(tǒng)(MEMS)部件和壓電致動(dòng)器。特別地，由于可以制造缺陷少、位錯(cuò)密度低且發(fā)光特性優(yōu)異 的氮化物半導(dǎo)體晶體10，所以可將其有利地用于發(fā)光半導(dǎo)體器件中。實(shí)施例1在本實(shí)施例中，對(duì)利用包覆套管制造氮化物半導(dǎo)體晶體的效果進(jìn)行了研究，所述 包覆套管包含由熔點(diǎn)比源材料的熔點(diǎn)高的金屬制成的第一層。本發(fā)明例1
根據(jù)上述實(shí)施方案，利用圖1和2中所示的制造裝置100制造了本發(fā)明例1的氮 化物半導(dǎo)體晶體10。具體地，首先，準(zhǔn)備制造裝置100，所述制造裝置100包含坩堝101、包含第一層111 和第二層112的包覆套管110、加熱部件121、隔熱構(gòu)件127和反應(yīng)容器123(步驟Si)。所 述坩堝101具有1英寸的外徑、具有1. 5英寸的高度且由Ta構(gòu)成。所述包覆套管110具 有30mm的內(nèi)徑、具有32mm的外徑、具有500mm的高度并由第一層111和第二層112構(gòu)成。 沿內(nèi)周側(cè)放置的第一層111由Ta構(gòu)成。設(shè)置在第一層111的外圍上的第二層112，通過在 2000°C下對(duì)第一層的外圍面進(jìn)行碳化而形成，且由Ta C= 1 1的TaC構(gòu)成。所述加熱 部件121由石墨構(gòu)成，所述加熱部件125由RF盤管構(gòu)成，且所述隔熱構(gòu)件127由碳?xì)謽?gòu)成。 關(guān)于反應(yīng)容器123，使用石英管。然后，將作為源材料17的AlN配置在坩堝101的內(nèi)部(步驟S3)。構(gòu)成坩堝101和 包覆套管110的第一層111的材料Ta的熔點(diǎn)為2990°C，同時(shí)源材料AlN的熔點(diǎn)為2200°C， 其中所述坩堝101和第一層111的熔點(diǎn)比源材料17的熔點(diǎn)高。然后，在坩堝101的內(nèi)部布置作為模板襯底11的AlN襯底，使其與源材料17相對(duì) (步驟S2)。然后，流過作為載氣的氣態(tài)N2，并且在N2氣氛下，在2000°C的生長(zhǎng)溫度下，生長(zhǎng)作 為氮化物半導(dǎo)體晶體10的AlN晶體(步驟S4)。在冷卻之后，將本發(fā)明例1的AlN晶體從制造裝置100中取出。結(jié)果是在模板襯 底11上形成了具有IOmm直徑R和Imm厚度H的本發(fā)明例1的AlN晶體。比較例1以基本上與本發(fā)明例1相同的方式制造了比較例1的氮化物半導(dǎo)體晶體，但不同 之處在于，構(gòu)成坩堝101的材料為碳且未安裝包覆套管110。具體地，使用圖6中所示的制造裝置制造了比較例1的AlN晶體。即，用于比較例 1中的制造裝置具有碳質(zhì)坩堝201、包覆坩堝201外圍的加熱部件121、以及包覆加熱部件 121的外圍的隔熱構(gòu)件127。因此，在模板襯底11上制造了具有Imm厚度的比較例1的AlN晶體。比較例2以基本上與本發(fā)明例1相同的方式制造了比較例2的氮化物半導(dǎo)體晶體，但不同 之處在于，構(gòu)成坩堝101的材料為TaC且未安裝包覆套管110。具體地，在用于比較例1中的圖6中所示的制造裝置中，使用由TaC構(gòu)成的坩堝， 其中所述坩堝101的材料為Ta C=I 1。因此，在模板襯底11上制造了具有Imm厚度 的比較例2的AlN晶體。測(cè)量方法使用SIMS (次級(jí)離子質(zhì)譜)測(cè)量了本發(fā)明例1、以及比較例1和2的AlN晶體中作 為雜質(zhì)濃度的Si濃度、C濃度和0濃度。將結(jié)果示于下表I中。表 I
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置，通過所述裝置使含氮化物半導(dǎo)體的源材料升華， 并通過升華的源材料氣體的淀積來生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體，所述裝置包含用于在內(nèi)部承載源材料的坩堝；設(shè)置在所述坩堝的外圍并用于加熱所述坩堝內(nèi)部的加熱單元；和布置在所述坩堝與所述加熱單元之間的覆蓋部件；其中所述覆蓋部件包含第一層和第二層，所述第一層沿與所述坩堝相對(duì)的覆蓋部件側(cè)形 成，并由熔點(diǎn)比所述源材料的熔點(diǎn)高的金屬制成，所述第二層沿所述第一層的外圍側(cè)形成， 并由構(gòu)成所述第一層的金屬的碳化物制成。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置，其中所述坩堝由熔點(diǎn)比所述源材 料的熔點(diǎn)高的金屬制成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置，所述加熱單元為RF盤管，其中還包含布置在所述覆蓋部件與所述加熱單元之間的加熱部件。
4.如權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體晶體制造裝置，還包含隔熱構(gòu)件，所述隔熱構(gòu)件 設(shè)置在所述加熱部件與所述RF盤管之間，由孔隙率比所述加熱部件的孔隙率低的材料構(gòu) 成。
5.一種氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法，所述方法包括準(zhǔn)備用于在內(nèi)部承載源材料的坩堝和布置在所述坩堝外圍的覆蓋部件的步驟；在所述坩堝內(nèi)通過加熱所述源材料而使所述源材料升華，以及使源材料氣體發(fā)生淀 積，由此生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體晶體的步驟；其中所述準(zhǔn)備步驟包括準(zhǔn)備覆蓋部件的操作，所述覆蓋部件包含第一層和第二層，所述第 一層沿與所述坩堝相對(duì)的覆蓋部件側(cè)形成，并由熔點(diǎn)比所述源材料的熔點(diǎn)高的金屬制成， 所述第二層沿所述第一層的外圍側(cè)形成，并由構(gòu)成所述第一層的金屬的碳化物制成。
6.如權(quán)利要求5所述的氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法，其中所述準(zhǔn)備步驟還包括準(zhǔn)備由 熔點(diǎn)比所述源材料的熔點(diǎn)高的金屬制成的坩堝的操作。
7.如權(quán)利要求5或6所述的氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法，其中所述準(zhǔn)備步驟還包括在所述覆蓋部件的外圍布置加熱部件的操作；以及在所述加熱部件的外圍布置用于加熱所述加熱部件的RF盤管的操作。
8.如權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法，其中所述準(zhǔn)備步驟還包括在所述 加熱部件的外圍布置隔熱構(gòu)件的操作，所述隔熱構(gòu)件由孔隙率比所述加熱部件的孔隙率低 的材料構(gòu)成。
9.一種通過權(quán)利要求5 8中任一項(xiàng)的氮化物半導(dǎo)體晶體制造方法制造的氮化物半導(dǎo) 體晶體。
10.如權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體晶體，其直徑至少為10mm，并具有不大于2ppm 的雜質(zhì)濃度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制造氮化物半導(dǎo)體晶體的裝置，其具有足夠的耐久性且在從坩堝外部混入雜質(zhì)方面受到抑制。本發(fā)明還公開了一種制造氮化物半導(dǎo)體晶體的方法以及氮化物半導(dǎo)體晶體。具體地，本發(fā)明公開了一種制造氮化物半導(dǎo)體晶體的裝置(100)，其包含坩堝(101)、加熱單元(125)和覆蓋部件(110)。在所述坩堝(101)內(nèi)部設(shè)置源材料(17)。在所述坩堝(101)的外圍設(shè)置加熱單元(125)，其中所述加熱單元對(duì)所述坩堝(101)的內(nèi)部進(jìn)行加熱。在所述坩堝(101)與所述加熱單元(125)之間布置覆蓋部件(110)。所述覆蓋部件(110)包含第一層(111)和第二層(112)，所述第一層(111)被布置在面對(duì)所述坩堝(101)的側(cè)上，并由熔點(diǎn)比所述源材料(17)的熔點(diǎn)高的金屬形成，所述第二層(112)被布置在所述第一層(111)的外圍側(cè)上，并由構(gòu)成所述第一層(111)的金屬的碳化物形成。
文檔編號(hào)C30B29/38GK102131964SQ201080002414
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者中幡英章, 佐藤一成, 宮永倫正, 山本喜之 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社