專利名稱：消除半導(dǎo)體材料缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 一般涉及消除半導(dǎo)體材料缺陷的方法，更具體而言涉及對半
導(dǎo)體材料(例如"磷化銦"(InP)、"砷化鎵"(GaAs)、"氮化鎵"(GaN) 和"磷化鎵"(GaP))、半導(dǎo)體晶錠、半導(dǎo)體襯底晶片和外延生長的半導(dǎo) 體層及其他結(jié)構(gòu)的低溫處理，該處理用作消除所述材料和結(jié)構(gòu)的位錯缺 陷和其他缺陷的手段。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及目前用于減少在大單晶中形成的缺陷的數(shù)目的方 法，更特別涉及用于生長無缺陷的III-V族的半導(dǎo)體化合物的大單晶的方 法。近年，半導(dǎo)體技術(shù)中最為重要的發(fā)展之一是化合物半導(dǎo)體的增大的 重要性。特別重要的是由周期表的III族和V族的元素構(gòu)成的III-V族的 半導(dǎo)體化合物，如GaAs和InP。如InP等化合物半導(dǎo)體目前用于諸如半 導(dǎo)體"激光二極管"(LD)、"發(fā)光二極管"(LED)、微波振蕩器和放大器、 高速晶體管(如"高電子遷移率晶體管"(HEMT))和包括紅外線和可見 光探測器在內(nèi)的各種類型的輻射探測器等裝置。
因為較高的電子漂移速度可能導(dǎo)致比使用硅構(gòu)造的更為傳統(tǒng)的裝置 更快的開關(guān)速度，所以GaAs越來越多地用于集成存儲邏輯電路。半導(dǎo)體 的商業(yè)化應(yīng)用需要生長無缺陷的半導(dǎo)體材料的大單晶。
已經(jīng)提出了各種方法用于生長大單晶錠，由該晶錠可切出無缺陷的 襯底晶片以用于后續(xù)的有用的電子裝置和光電裝置的制造。用于該晶體 生長的更有前景的方法之一是"垂直梯度凝固"(VGF)法，特別是在 W.A.Gault的美國專利4,404,172號中所限定的VGF法。根據(jù)該方 法，將多晶初始構(gòu)造用材料放在垂向延伸的坩堝中，在坩堝的底 端部包括小型圓柱形的籽井(seed-well)部，其緊貼地容納籽晶。首先，使初始材料和一部分的籽熔融。供應(yīng)至系統(tǒng)的功率隨后以 使得凝固由籽晶起垂直向上進(jìn)行的方式降低。
VGF法相對于更為傳統(tǒng)的方法如Czochralski生長法的主要優(yōu)點在于 可使用較低的熱量梯度和較慢的冷卻速率制得具有極"低位錯密度"(即， 缺陷密度下降)的無定形單晶熔融物。然而，因為熔融物與坩堝之間的 相互作用通常導(dǎo)致引入造成假晶粒的位錯從而成核并破壞單晶部分，因 而VGF法存在其局限。
此外，眾所周知III-V族化合物往往在較高的溫度下解離，具有更高 揮發(fā)性的V族元素逃逸而進(jìn)入氣相。已經(jīng)開發(fā)了一些方法用于防止或延 緩這種趨勢。例如，在GaAs晶體生長的一個方法中，通過由密閉生長容 器中單獨加熱的砷的儲器在熔融物上提供砷蒸汽的蒸汽壓能夠防止更具 揮發(fā)性的砷成分逃逸。
此外，本領(lǐng)域中還已知熔融物中砷的損失可通過使用作為擴(kuò)散阻擋 物的諸如"氧化硼"(B203)、"氯化鋇"(BaCl2)或"氯化鈣"(CaCl2) 等各種材料中的任一種而減緩。這些添加劑具有比熔融物GaAs更低的密 度，它們上升到表面，包封住熔融物，并與容器中的惰性氣體壓力一同 可容納揮發(fā)性砷蒸汽；例如，參見文章"GrowthofSingle Crystals of GaAs in Bulk and Thin Film Form", B. A. Joyce著，包含在書"Crystal Growth" 中，由B. R. Pamplin編輯，Pergamon Press, 1975, pp.157-184第165頁。
此外，多年來已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試以通過利用不同坩堝材料的VGF 技術(shù)來生長m-V晶體。例如，參見前述的Pamplin的書的389 391頁。
這些努力獲得成功的重要限制一直是熔融物與坩堝壁之間的物理化學(xué)作 用。例如，參見前述的Pamplin的書的389頁和"The Art and Science of Growing crystals", J. J. Gilman編輯,John Wiley & Sons, New York, 1963，
第366頁和第390頁。
圖1圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于氧化硼層選擇性生長的裝置。坩堝 ll容納在圓筒lO中，圓筒IO又容納在爐13中。當(dāng)爐加熱坩堝時，氧氣 (02)通過管14導(dǎo)入坩堝的內(nèi)部。同時，諸如氮氣(N2)等惰性氣體的 逆流也導(dǎo)入圓筒10中。氮氣由此進(jìn)入坩堝11的籽井部的開口端以防止氧氣從相反端進(jìn)入。因此，氧氣和氮氣如表示氣流的箭頭所示從圓筒10 的同一端被排出。
通過簡單試驗可快速獲得管14的布置，其與適宜的氮氣流一起提供 截頭圓錐過渡部分的熱氧化而不會氧化坩堝11的籽井部分的內(nèi)表面。圓 筒10中沿著坩堝11的外表面流動的氮氣防止在坩堝的外表面上生長氧
化物。為了生長15(im厚的氧化硼層，坩堝于105(TC加熱18小時，同時 曝露于以40升每小時(1/hr)的速率流動的02。
在層12生長的過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)選排列在軸對稱環(huán)境(圖2)中，以 增強(qiáng)均勻性。不過，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氮氣的渦流有時出現(xiàn)在坩堝的主要部分的 大的開口端周圍以致減小了在該端的層12的厚度。
己經(jīng)證明很難再現(xiàn)性地消除該相互作用以消除假的多晶生長?？傊?， 如上所示，盡管VGF法成功地消除了-一些III-V構(gòu)成的晶體中的位錯缺 陷，但是它顯然也有其局限性，其中最重要的是制造成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供利用低溫作為手段從包含取自元素周期表的III和 V族的材料的大單晶、單晶襯底晶片、外延層和其他結(jié)構(gòu)消除位錯等缺 陷的方法和裝置。
目的和優(yōu)點
因此，除了在本發(fā)明人的上述專利中描述的低溫方法的目的和優(yōu)點 之外，本發(fā)明的一些目的和優(yōu)點是
(a) 提供具有很少的或不具有位錯缺陷的III-V族化合物的大單晶；
(b) 提供III-V族化合物的大型無位錯單晶的低成本制造；
(c) 為III-V族化合物的大型無位錯單晶提供大得多的晶片尺寸(例 如，直徑為10 12英寸)；
(d) 提供形成于包含III-V族化合物的無位錯晶片和外延層中的相關(guān) 微觀結(jié)構(gòu)的極高產(chǎn)率；
(e) 提供單位晶片的集成HEMT構(gòu)造的存儲邏輯電路的極高產(chǎn)率；
(f) 提供單位晶片的集成HEMT構(gòu)造的存儲邏輯電路的更低的故障(g) 提供具有很少的或不具有點缺陷的in-v族化合物的大單晶；
(h) 為集成存儲邏輯電路提供更低的能量消耗水平。
其他的目的和優(yōu)點將由隨后的說明和附圖的考慮而變得顯而易見。 低溫處理對非鐵金屬材料的效果可用于克服一些當(dāng)工程師使用這些材料 時面對的日常問題，尤其是需要高精確度的應(yīng)用。
此夕卜，諸如InP、 GaAs、 InAs、 GaP、 InGaN、 GaN、 Ge、 Si和其他 非鐵(即，非磁性)金屬等材料的深冷處理(即，溫度范圍是-273"C -195°C)具有極大的好處，僅僅是因為這些材料在高溫生長和/或沉積時 在能夠形成更均勻的晶體結(jié)構(gòu)之前就已固化。這導(dǎo)致產(chǎn)生了 "應(yīng)力"區(qū) 域而在材料的晶格中造成缺陷(例如，位錯缺陷)的形成。
另外，其他的缺陷，例如點缺陷(如空位)也會在這些材料的不均 勻結(jié)晶化的過程中出現(xiàn)。無論如何，通過對這些順磁性和抗磁性材料施 用制造后深冷過程，可重新組織它們的分子成為均勻的結(jié)構(gòu)體，其具有 更緊密的原子鍵，因而減輕大多數(shù)的前述缺陷問題。低溫處理還具有能 夠改變這些材料的電特性的其他有利之處。通過提供增強(qiáng)的分子均勻性， 電子可更為自由地流動；因此，提供了更有效的更冷時運行的集成光電 和/或電子元件。


其他的目的和優(yōu)點將由隨后的

和附圖的考慮而變得更加顯 而易見。圖中，緊密相關(guān)的圖具有相同的數(shù)字而不同的字母后綴
圖1描述了用于生長取自元素周期表III和V族的材料的大型無缺陷 單晶的現(xiàn)有技術(shù)的垂直梯度凝固制造方法和裝置。
圖2是描述了用于由元素周期表的III和V族的單晶材料構(gòu)成的襯底 晶片的深冷處理的優(yōu)選方法的流程圖，該方法用作除去所述襯底晶片的 位錯缺陷和其他缺陷的手段。
圖3是描述了用于由元素周期表的III和V族的單晶材料構(gòu)成的襯底 晶片上生長的外延層的深冷處理的其他方法的流程圖，該方法用作除去
6所述外延層的位錯缺陷和其他缺陷的手段。
圖4是描述了使用取自元素周期表III和V族的材料形成的單晶晶錠
(boule)的深冷處理的第一選擇性方法的流程圖，該方法用作除去所述晶
錠的位錯缺陷和其他缺陷的手段。
圖5是用于由取自元素周期表III和V族的單晶材料構(gòu)成的襯底晶片的深冷處理的第二選擇性方法的囊狀物的剖面?zhèn)纫晥D。
圖6是描述了由取自元素周期表III和V族的單晶材料構(gòu)成的襯底晶片的深冷處理的第二選擇性方法的流程圖，其使用囊狀物以提供高通量磁場作為促進(jìn)所述囊狀物中容納的襯底晶片具有更大的分子均勻性的手段。
具體實施例方式
圖2-優(yōu)選實施方式
如圖2所圖示的本發(fā)明的低溫方法的優(yōu)選實施方式包括由下列方面構(gòu)成的低溫循環(huán)
a. 斜降(ramp down)——降低襯底晶片的溫度；
b. 均溫——保持襯底晶片的溫度；
c. 斜升(ramp up)——使溫度回升至室溫；
e. 回火斜升——升高溫度至高于室溫；
f. 回火保持——使高溫保持一段時間。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方式使用氦低溫保持器，因為低溫保持器所用的液氦是化學(xué)惰性的，不會與將被處理的任何一種單晶材料發(fā)生反應(yīng)。另外，液氦將提供比液氮所提供的低溫(即77K)低得多的溫度(即2.17K);也可以使用液氮來代替優(yōu)選的液氦。本發(fā)明優(yōu)選實施方式的典型的低溫循環(huán)將使襯底晶片的溫度用24小時的時間降至2.2K。這避免了對襯底晶片的熱沖擊。對于緩慢的斜降存在充分的理由。想象將彈丸落入一桶液氦中。
彈丸的外部將變得與液氦的溫度相同，接近2.2K。而內(nèi)部將保持室溫。這就在與液氦接觸的第一時刻建立了極陡的溫度梯度。冷區(qū)將收縮至如果其與液氦一樣冷將達(dá)到的尺寸。而內(nèi)部將保持與其處于室溫時相同的尺寸。由此在襯底晶片的表面上產(chǎn)生巨大應(yīng)力，這會導(dǎo)致表面處破裂。 一些合金能夠經(jīng)受突然的溫度變化，而大多數(shù)取自in-v族的金屬合金不能經(jīng)受，盡管它們的解離溫度通常極高。
典型的均溫段將使溫度在2.2開爾文保持一段時間，在本發(fā)明的情況
中為96小時。在過程的均溫段中，溫度維持在2.2K的低溫。盡管在該溫度時單晶合金的單晶結(jié)構(gòu)體中分子鍵的長度縮短，不過鍵長的變化是相對緩慢的過程而且需要時間來發(fā)生。結(jié)果是析出了更精細(xì)的、更均勻的合金的分子結(jié)構(gòu)體。另外，在這些低溫時，諸如GaAs、 InP和GaP等合金形成偶極矩，其在它們的鍵縮短時沿著內(nèi)磁力線重新對齊。本發(fā)明人認(rèn)為均溫過程中多于常規(guī)量的時間也為晶體結(jié)構(gòu)在量子水平上對較低的溫度起反應(yīng)提供了時間，并將使更大量的振動能離開構(gòu)成襯底晶片的分子。
理論上，完美的晶格結(jié)構(gòu)可在其最低能態(tài)，即，i)=0狀態(tài)下振動能Ey,f/ /72時。此外，通過使襯底晶片在2.2K的低溫保持較長的時間，將由晶格得到更多的能量；因此得到更完美并由此更強(qiáng)的、缺陷更少的晶體結(jié)構(gòu)。
典型的斜升段使溫度回升至室溫。在本發(fā)明的情況中，這通常是24小時的時間。該斜升周期對于所述過程極為重要。斜升過快導(dǎo)致處理的晶片的各種問題。想象使冰塊落入一杯溫水中。冰塊將破裂。處理的襯底晶片也會發(fā)生同樣的情況。
典型的回火段用預(yù)定的時間使溫度升高。這通過使用與用于熱處理退火過程的淬火和回火循環(huán)相同類型的回火過程可以實現(xiàn)。使溫度斜升以確保襯底晶片中的溫度梯度保持在較低水平。回火溫度通常為300下 IIOO下，取決于構(gòu)成襯底晶片的單晶材料?；鼗鸨３侄未_保整個襯底晶片得到回火溫度的受益。典型的回火保持時間為大約3小時。這段時間取決于襯底晶片的材料、厚度和直徑。
圖3-其他實施方式
如圖3圖示的本發(fā)明的深冷法的其他實施方式包括由下列方面構(gòu)成的低溫循環(huán)
a. 使用外延生長方法，例如"金屬氧化物化學(xué)氣相沉積"(MOCVD)或"分子束外延"(MBE)，在襯底晶片上生長外延層(如緩沖層)。
b. 斜降——降低外延層化的晶片的溫度。
c. 均溫——保持外延層化的晶片的溫度。
d. 斜升——使溫度回升至室溫。
e. 回火斜升——升高溫度至高于室溫。
f. 回火保持——使高溫保持一段時間。
本發(fā)明的其他實施方式的典型的低溫循環(huán)將使外延層化的襯底晶片的溫度用24小時的時間降至2.2K。這避免了對外延層化的襯底晶片的熱沖擊。
典型的均溫段將使溫度在2.2開爾文保持96小時。在過程的均溫段中，溫度維持在2.2開爾文。盡管在該溫度時外延層化的襯底晶片的晶體結(jié)構(gòu)體中分子鍵發(fā)生變化，不過這些變化相對緩慢而且需要時間來發(fā)生。變化之一是析出了更精細(xì)的、更均勻的分子結(jié)構(gòu)。本發(fā)明人認(rèn)為，隨著更大量的振動能從單晶外延層和襯底晶片移除，均溫過程中多于常規(guī)量的時間為單晶鍵進(jìn)一 步縮短提供了更多的時間。
典型的斜升段使外延層化的襯底晶片的溫度回升至室溫。在本發(fā)明的其他實施方式的情況中，該過程通常需要24小時。該斜升周期對于所述過程極為重要。斜升過快可導(dǎo)致處理的外延層化的襯底晶片的各種問題。典型的回火段用- -定時間使溫度斜升至預(yù)定水平。這通過使用與用于熱處理退火的"淬火和回火循環(huán)"相同類型的回火過程可以實現(xiàn)。
使溫度斜升以確保外延層化的襯底晶片中的溫度梯度保持在較低水平?；鼗饻囟瓤梢詾?00。F 110(TF;取決于構(gòu)成外延層和襯底晶片的單晶材料?；鼗鸨３侄未_保外延層化的襯底晶片得到回火溫度的受益。典型的回火保持時間為大約3小時。這段時間取決于外延層化的襯底晶片的厚度和直徑。
圖4、 5和6-選擇性實施方式
如圖4所圖示的本發(fā)明的深冷方法的第一選擇性實施方式包括由下列方面構(gòu)成的低溫循環(huán)
a. 斜降-降低襯底晶錠的溫度；
b. 均溫-保持襯底晶錠的溫度；C.斜升-使溫度回升至室溫；
e. 回火斜升-升高溫度至高于室溫；
f. 回火保持-使高溫保持一段時間。
本發(fā)明的選擇性實施方式的典型的低溫循環(huán)將使襯底晶片晶錠的溫度用24小時的時間降至2.2K。這避免了對襯底晶片晶錠的熱沖擊。
典型的均溫段將使溫度在2.2K保持96小時。在過程的均溫段中，溫度維持在2.2開爾文。盡管在該溫度時襯底晶片晶錠的晶體結(jié)構(gòu)體中分子鍵縮短，不過這些變化是相對緩慢的過程而且需要時間來發(fā)生。變化之-一是析出了更精細(xì)的、更均勻的分子結(jié)構(gòu)。本發(fā)明人認(rèn)為，隨著更大量的振動能從襯底晶片晶錠移除，均溫過程中多于常規(guī)量的時間為分子鍵進(jìn)一步縮短提供了更多的時間。
典型的斜升段使襯底晶片晶錠的溫度回升至室溫。在本發(fā)明的第-一選擇性實施方式中，這需要24小時。該斜升周期對于所述過程極為重要。斜升過快可導(dǎo)致處理的襯底晶片晶錠的各種問題。典型的回火段用一定時間使溫度斜升至預(yù)定水平。這通過使用與用于熱處理退火的"淬火和回火循環(huán)"相同類型的回火過程可以實現(xiàn)。
使溫度斜升以確保襯底晶片晶錠中的溫度梯度保持在較低水平。回火溫度可以為300。F 1100下；取決于構(gòu)成襯底晶片晶錠的單晶材料?；鼗鸨３侄未_保襯底晶片晶錠得到回火溫度的受益。典型的回火保持時間為大約3小時。這段時間取決于襯底晶片晶錠的長度和直徑尺寸。
如圖5所圖示的本發(fā)明的深冷方法的第二選擇性實施方式使用晶片保持囊裝置，該裝置包括內(nèi)壁直徑尺寸稍微大于襯底晶片18的塑料管15。在管15的底部放置第一高通量盤形磁體16。接著，在第一磁體16上方將具有與第一磁體16相同直徑尺寸的第一熱解碳盤17放在管形囊15中。然后，在第一熱解碳盤17上放置襯底晶片18。接著，在襯底晶片18的上方，將具有與第一熱解碳盤17相同直徑尺寸的第二熱解碳盤19放入塑料管15中。接著，將第二高通量盤形磁體20放入管形囊15中，位于
第二熱解碳盤19的上方；此外，材料/磁體部分的順序可重復(fù)以實現(xiàn)大量襯底晶片。
下面，如圖6所圖示，將塑料管形囊15密封，然后放在可盛氦低溫
處理器中，在處理器中經(jīng)歷由下列方面構(gòu)成的低溫循環(huán)
a. 斜降-降低晶片囊的溫度；
b. 均溫-保持晶片囊的溫度；
c. 斜升-使溫度回升至室溫；
rFH丄々:l:TL斗吉、、/曰齒S :^r工女、、/曰c.「」乂、小寸夕i 「司um/又土 l司j — 王y皿；
f.回火保持-使高溫保持 一 段時間。
用于本發(fā)明第一選擇性實施方式的典型的低溫循環(huán)通過用24小時的時間使晶片囊15的溫度降至2.2開爾文開始。這將避免對晶片囊15中容納的襯底晶片18的熱沖擊。通常，均溫段將使晶片囊15的溫度在2.2開爾文保持預(yù)定的時間，在本發(fā)明的第一選擇性實施方式的情況中，均溫時間等于96小時。在過程的均溫段中，溫度維持在2.2開爾文的低溫。
盡管在該溫度時襯底晶片18的晶體結(jié)構(gòu)中鍵長縮短，不過鍵長的變化以相對較慢的速率改變，而且需要時間來發(fā)生。變化之一是析出了更精細(xì)的、更均勻的襯底晶片18的分子結(jié)構(gòu)。隨著襯底晶片囊15達(dá)到低溫溫度，將形成于襯底晶片18中的偶極矩的分子取向?qū)⒃黾?，這是襯底晶片囊15中存在高通量磁盤16和20的直接結(jié)果。本發(fā)明人認(rèn)為，隨著更大量的振動能從襯底晶片囊15中存在的單晶襯底晶片18移除，均溫過程中多于常規(guī)量的時間為單晶鍵進(jìn)一步收縮提供了更多的時間。
典型的斜升段使溫度回升至室溫。在第一選擇性發(fā)明的情況中，該過程需要大約24小時。該斜升周期對于所述過程極為重要。斜升過快可導(dǎo)致處理的襯底晶片18的各種問題。典型的回火段用-一定時間使溫度斜升至預(yù)定水平。這通過使用與用于熱處理退火的淬火和回火循環(huán)相同類型的回火過程可以實現(xiàn)。
在斜升過程能夠進(jìn)行之前，將襯底晶片18由晶片囊15中移出并放入爐中，正如題為"Vertical Access Zero Boiloff Rampable Superconducting文獻(xiàn)中所描述的，該文獻(xiàn)由H.B. Jin、 S丄Choi、 H丄Kim、 H.H. Han、 B.S. Park、 B.G. Lee、 K.D. Sim、 Y.K, Kwon、 C.H. Winter和D. Healey撰 寫，出版于Houston, TX舉辦的the 2002 Applied Superconductivity Conference的會議錄中。
使用配有超導(dǎo)磁體的爐子，使溫度斜升以確保單晶襯底晶片18中的 溫度梯度，同時由超導(dǎo)磁體提供的高磁場強(qiáng)度用于維持斜升退火過程中 的分子取向?；鼗饻囟瓤梢詾?00。F 1100下；取決于用于構(gòu)成襯底晶片 ig 口u平日曰'ro竹。
另外，回火保持段確保整個襯底晶片18得到回火溫度的受益。典型 的回火保持時間為大約3小時，保持時間取決于襯底晶片18的厚度和直 徑尺寸。
根據(jù)以上描述了本發(fā)明的其他實施方式和選擇性實施方式的部分，
本發(fā)明的一些目的和優(yōu)點如下顯而易見
(a) 提供不存在點、位錯和其他缺陷的包含m-v族化合物的外延層和
外延層化的襯底晶片；
(b) 提供不存在點、位錯和其他缺陷的III-V族化合物的單晶晶錠的更 大的直徑尺寸(如10英寸 12英寸)；
(c) 提供用于增強(qiáng)使用III-V族化合物作為構(gòu)成材料形成的單晶襯底 晶片的分子取向度的裝置和方法。
操作
為了理解本發(fā)明的操作，了解一些關(guān)于單晶材料及其缺陷的事實是 重要的；例如，單晶材料通常具有非常規(guī)則的原子結(jié)構(gòu)，也就是說，它 們的原子相對于彼此的局部位置在原子尺度上重復(fù)。這些原子的結(jié)構(gòu)掃一 列通常稱為晶格結(jié)構(gòu)，關(guān)于它們的研究稱為晶體學(xué)。
不過，單晶材料并不完美，也就是說，原子排列的規(guī)則模式被晶體 缺陷打斷。有序結(jié)構(gòu)中的較大的缺陷通常視為位錯環(huán)。非均勻的分子結(jié) 構(gòu)(即，晶體缺陷)通常由于高溫晶體生長和/或沉積而形成。材料科學(xué)中，位錯是晶格結(jié)構(gòu)中的晶體缺陷，或不規(guī)則。位錯的存 在強(qiáng)烈影響實際晶體材料的許多電性質(zhì)和模量性質(zhì)?，F(xiàn)代晶體學(xué)的位錯
理論最初由Vito Volterra在1905年發(fā)展。在其理論中，Volterra解釋位錯 能夠形象化為由晶格中間的原子平面的中斷造成。在這樣的情況中，周 圍的平面不直，而是彎曲在中斷平面的周圍以致晶體結(jié)構(gòu)在任一側(cè)均是 完全有序。采用的類比是一疊紙；其中， 一張紙的一半位于這疊紙中， 這疊紙中的缺陷僅在這半頁紙的邊緣能夠注意到。
此外，存在兩種主要類型的位錯晶體缺陷1)刃位錯和2)螺位錯， 混合位錯(即，同時具有刃位錯和螺位錯)介于上述兩者之間。從數(shù)學(xué) 上說，位錯是一種拓?fù)淙毕?，有時也被本領(lǐng)域的技術(shù)人員稱為孤立子。
數(shù)學(xué)理論還解釋了位錯表現(xiàn)為穩(wěn)定顆粒的原因，也就是說，它們可 以來回移動，同時在移動時維持其特征。當(dāng)兩個取向相反的位錯聚集時， 它們可以相互抵消(這是稱為湮滅的過程)；此外，沒有途徑可使單個位 錯自己"消失"。
此外，位錯可以通過沿平面切割晶體并通過點陣矢量使-- 半滑移通 過另一半而直觀化。平分的部分將配合在一起而不會留下缺陷。但是， 如果切割僅僅部分通過晶體，則切割的分界線將留下缺陷，扭曲附近的 晶格。該分界線是位錯線；滑移的方向稱為伯格斯矢量。位錯通常由位 錯線與伯格斯矢量之間的角度標(biāo)記。90。和0°的特殊情況稱為刃位錯和螺 位錯。
此外，存在于實際結(jié)晶固體中的位錯通常為混合位錯而非刃位錯或 螺位錯；因此，位錯的實際角度取決于晶體的晶格結(jié)構(gòu)。在刃位錯的情 況中刃位錯的伯格斯矢量與位錯線垂直，而在螺位錯的情況中則與位錯 線平行。在金屬材料中，伯格斯矢量以密堆積結(jié)晶方向排列，其大小相 當(dāng)于一個原子間距。
作為選擇，刃位錯能夠形象化為通過將多余半原子面添加至完美晶 體中而形成，以使缺陷在規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)中沿著多余半原子面終止的線 產(chǎn)生。這種形象化可能難以解釋。首先，它有助于理解得到該表述所涉 及的簡化過程。
13一種方法是首先考慮完美晶格的三維表述，其中原子由球體表示。 此外，讀者隨后可通過形象化原子平面代替原子本身來開始簡化該表述。 此外，刃位錯導(dǎo)致的應(yīng)力因其固有的不對稱性而變得復(fù)雜，并通過如下 所示的三個等式描述
,y(3 +;y2)
其中，p是材料的剪切模量，6是伯格斯矢量，v是泊松比，x和_y 是坐標(biāo)。這些等式表明垂直取向的啞鈴狀的應(yīng)力環(huán)繞位錯，"多汆"平
idi附近的i^r經(jīng)受J卜:應(yīng)力，"、;i"j尖"、i'ifif附近的原f經(jīng)受拉應(yīng)力。
螺位錯更難形象化，不過可以認(rèn)為是通過將延伸至"車庫邊緣"的 "車庫斜坡"結(jié)構(gòu)插入另外的完美層狀結(jié)構(gòu)中而形成?；旧掀浒?中螺旋路徑在線缺陷(即，位錯線)周圍由晶格中的原子面描繪的結(jié)構(gòu)。 盡管很難形象化，不過螺位錯造成的應(yīng)力不如刃位錯的應(yīng)力復(fù)雜。這些 應(yīng)力僅僅需要一個等式，因為對稱使得可僅使用一個徑向坐標(biāo)，該等式
如下所示
2;zr
其中，a是材料的剪切模量，6是伯格斯矢量，r是徑向坐標(biāo)。該等 式表明長柱狀的應(yīng)力由該圓柱體向外伸出并隨著距離減小。請注意，該 簡單模型對于r=0的位錯核心區(qū)得到了無窮大的值，因此其僅僅對于位 錯核心區(qū)之外的應(yīng)力才是有效的。
當(dāng)位錯線與金屬材料(如，GaAs、 InP、 InAs、 GaP禾口/或GaN)的表面相交時，相關(guān)應(yīng)變場局部增加了材料對蝕刻的相對敏感度和規(guī)則幾 何格式結(jié)果的腐蝕坑。這就解釋了相干微觀結(jié)構(gòu)的生成(例如，使用灰
度級光刻在這些結(jié)構(gòu)中形成的相干結(jié)構(gòu))對于諸如GaAs等單晶材料存在
問題的原因。如果材料發(fā)生應(yīng)變(即變形)并且反復(fù)地重新蝕刻，則產(chǎn) 生一連串的腐蝕坑，其可有效追蹤所論及的位錯的移動。
透射電子顯微鏡也可用來觀察單晶材料的微觀結(jié)構(gòu)中的位錯。山此， 制備金屬樣品的薄箔以使它們對于顯微鏡的電子束是透明的。電子束通 過金屬原子的規(guī)則晶格平面發(fā)生衍射，電子束與位于金屬微觀結(jié)構(gòu)中的 各晶粒的晶格平面之間的不同的相對角度產(chǎn)生圖像襯度(即，不同結(jié)晶 取向的晶粒之間出現(xiàn)的襯度)。晶界和位錯線周圍的應(yīng)變場中的較不規(guī)則 的原子結(jié)構(gòu)具有與晶粒中出現(xiàn)的規(guī)則晶格線不同的衍射性質(zhì)，因此，在 電子顯微圖像中存在不同的襯度效果。位錯通常作為顯微圖像中較亮的 中心區(qū)域中的暗線得見。
位錯的透射電子顯微照片通常利用50,000 300，000倍的放大倍數(shù) (盡管設(shè)備本身提供了比該放大倍數(shù)更寬的放大范圍)。 一些顯微鏡也允 許樣品的原位加熱和/或變形；因此，允許直接觀察位錯的移動及其相互 作用。請注意，當(dāng)其通過材料的厚度時位錯線展示的特征圖像襯度具有 "蜿蜒"的形態(tài)。進(jìn)而注意，位錯不能終結(jié)在晶體內(nèi)部；因此，位錯只 可作為完整環(huán)包含在晶體內(nèi)部。
另外，"場離子顯微鏡"和"原子探針"技術(shù)提供了產(chǎn)生更高放大倍 數(shù)(即，通常為3百萬倍以上)的方法，并允許在原子尺度觀察位錯。 表面起伏可分辨至原子級的水平時，螺位錯顯現(xiàn)為鮮明的螺旋特征；因 此，揭示了晶體生長的重要機(jī)制，當(dāng)存在表面臺階時，原子可更容易地 添加至晶體中，而且無論添加了多少原子，與螺位錯有關(guān)的表面臺階從 不會毀壞。
相比之下，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡不適宜觀察位錯，因為其通常提供的 放大倍數(shù)至多達(dá)到僅約為2000倍的最大值。在化學(xué)蝕刻之后，形成了小 的腐蝕坑，在此處蝕刻溶液優(yōu)先攻擊位錯周圍的更加高度應(yīng)變的材料。 因此，圖像特征顯示位錯截取樣品表面的點。這樣，例如，硅中的位錯可以使用干涉顯微鏡間接觀察，其中晶體取向可以通過觀測到的位錯的
形狀來確定(例如，ioo為橢圓的，lll為金字塔形的)。
另外，材料中的位錯密度可經(jīng)由下列關(guān)系表示的塑性變形而增大
r a p1/2
因為位錯密度隨塑性變形而增大，因此位錯產(chǎn)生的機(jī)制必須在材料
中被激活。形成有三種位錯形成的機(jī)制通過均勻成核、通過晶界引發(fā) 和通過晶格與表面、析出物、分散相和/或增強(qiáng)纖維之間的界面。通過均 勻成核形成位錯是原子鍵沿著晶格中的線斷裂的結(jié)果(例如，加熱鋼棒 的中間使得棒在位錯的數(shù)目成倍增加的位置彎曲)。此外，晶格中的平面 被剪切，得到兩個相反朝向的半平面或位錯。
令人感興趣的是，這些位錯可以通過晶格彼此移開。由于均勻成核 由完美晶體形成位錯并且需要許多鍵的同時斷裂，因此均勻成核所需的 能量極高。例如，銅中均勻成核所需的應(yīng)力如下所示<formula>formula see original document page 16</formula>
其中G是銅的剪切模量(46GPa)。求解a，，可以看到需要的應(yīng)力 是3.4GPa，該值非常接近于晶體的理論強(qiáng)度。因而，在傳統(tǒng)的變形中， 均勻成核需要非常集中的應(yīng)力，這通常不可能發(fā)生。晶界引發(fā)和界面相 互作用是更為常見的位錯來源。
單晶材料中晶界處的不規(guī)則可產(chǎn)生位錯，其擴(kuò)散到晶粒中。晶界處 的臺階和突出是塑性變形早期的重要的位錯來源。由于大多數(shù)晶體的表 面上存在小臺階，因而表面上某些區(qū)域中的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶格中的平均 應(yīng)力；因此，晶體的表面(即表面張力)可產(chǎn)生位錯(目前正在研究微 重力環(huán)境中的單晶生長)。
此外， 一旦產(chǎn)生，位錯可以與"晶界引發(fā)"中相同的方式在晶格中 增殖。單晶中，大多數(shù)位錯形成于表面。進(jìn)入材料表面200pm處的位錯 密度顯示出比主體中的密度高6倍。然而，在多晶材料(如鋼)中，表面源不具有主要效果，因為大多數(shù)的晶粒不與表面接觸。
另外，金屬與氧化物之間出現(xiàn)的界面可極大地增加產(chǎn)生的位錯的數(shù) 目。氧化層使金屬表面承受張力，因為氧原子擠進(jìn)晶格，而且氧原子受 壓。這極大地增加了金屬表面的應(yīng)力，因而增加了表面上形成的位錯的 數(shù)量。表面臺階上增大的應(yīng)力量導(dǎo)致位錯增多。
直到二十世紀(jì)三十年代，材料科學(xué)的長期挑戰(zhàn)之一仍是從微觀上解 釋塑性。計算完美晶體中相鄰原子面相互滑移處的剪切應(yīng)力的幼稚嘗試 表明，對于剪切模量為G的材料，剪切強(qiáng)度^由下式近似給出
G
r =——
由于金屬中的剪切模量通常為20,000 MPa 150,000 MPa，因而這難 以與試驗中觀測到產(chǎn)生塑性變形的0.5 MPa 10 MP a的剪切應(yīng)力-致。 1934年，Egon Orowan、 Michael Polanyi和G. I. Taylor幾乎同時意識到塑 性變形可以用位錯理論解釋。如果來自周圍平面之一的原子斷裂其鍵并 與終止邊緣的原子重新鍵合，則位錯可以移動。甚至移動位錯所需的力 的簡單模型也表明在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于完美晶體的應(yīng)力下剪切也是可能的。因此， 顯示出金屬特有的展性。
當(dāng)金屬經(jīng)歷"冷加工"(即，在與材料的絕對熔點Tm相比相對較低 (即，通常小于0.3Tm)的溫度下的材料的變形)時，位錯密度因新的位 錯的形成和位錯倍增所致而增大。隨后增大的相鄰位錯的應(yīng)變場之間的 交疊逐漸增大了對進(jìn)一步的位錯運動的阻礙。這導(dǎo)致隨著變形進(jìn)行而金 屬硬化。該效果稱為應(yīng)變硬化(有時稱為"加工硬化")。
位錯的纏結(jié)出現(xiàn)于變形的早期階段，并且表現(xiàn)為非良好界定的邊界； 因此，動態(tài)回復(fù)過程最終導(dǎo)致形成了胞狀結(jié)構(gòu)，其包含取向差小于15° 的邊界(即，小角晶界)。由子固定位錯的積累和高應(yīng)變時形成的晶粒結(jié) 構(gòu)所造成的應(yīng)變硬化的效果可通過適宜的熱處理(退火)消除，該處理 促進(jìn)了材料的回復(fù)和隨后的重結(jié)晶。
位錯可以在包含位錯和伯格斯矢量的平面內(nèi)滑移。對于螺位錯，位錯與伯格斯矢量平行，因此位錯可以在任何包含位錯的平面內(nèi)滑移。對 于刃位錯，位錯與伯格斯矢量垂直，因此位錯僅能在一個平面內(nèi)滑移。 還存在 一個與滑移根本上不同的位錯運動的選擇性機(jī)制，其使得刃位錯 可移出其滑移面，稱為位錯攀移。
位錯攀移使刃位錯垂直于其滑移面移動。位錯攀移的驅(qū)動力是空位 穿過晶格的移動。如果空位移動到形成刃位錯的多余半原子面的邊界的 附近，則半平面中最靠近空位的原子可"躍遷"并填充空位。該原子轉(zhuǎn) 移按照半原子面"移動"空位，造成位錯的移動，或正攀移?？瘴辉诎?原子面的邊界被吸收而非產(chǎn)生的過程稱為負(fù)攀移。由于位錯攀移是各個 原子"躍遷"到空位中造成的，因此攀移以單個原子直徑增量發(fā)生。
正攀移的過程中，晶體在垂直于多余半原子面的方向上收縮，這是 因為原子由半平面移出。負(fù)攀移涉及將原子加入半平面中，因此晶體在 垂直于半平面的方向上生長。因而，垂直于半平面的方向上的壓應(yīng)力促 進(jìn)正攀移，而拉應(yīng)力促進(jìn)負(fù)攀移。這是滑移與攀移的一個主要區(qū)別，原 因是滑移僅由剪切應(yīng)力造成。位錯滑移與攀移的另- 個區(qū)別是溫度依賴 性。攀移在高溫下由于空位運動的增加所致而遠(yuǎn)比低溫下更為迅速地出 現(xiàn)。另一方面，滑移對溫度僅有很小的依賴性。
對于讀者來說顯而易見的是，晶體缺陷可以移動，有時甚至可以湮
滅。這種移動背后的原因在于下述事實高溫結(jié)晶時，諸如Si、 Ge、 GaAs、
InP、 GaN、 GaP、 InAs等單晶材料形成經(jīng)由弱范德華鍵連接(即， 一個
平面與另一個平面)的晶面(即，平面上堆疊平面)。這就解釋了在這些
晶面之間發(fā)生滑移的原因。
然而，當(dāng)單晶材料以77K 2.2K的溫度進(jìn)行處理時，連接其晶面的
弱范德華鍵變得極大壓縮(即，縮短)，因此增大了鍵能以成為顯示通常
強(qiáng)烈的共價和/或離子分子鍵所保持的強(qiáng)度和行為的鍵。
通常構(gòu)成單晶材料的分子具有這樣的鍵結(jié)構(gòu)，其可以類似于一對通 過可經(jīng)由與其他顆粒的碰撞而獲得鍵伸長振動能的彈簧(即分子振蕩器)
連接的原子。因此，任何分子鍵的長度均取決于鍵中存在的"振動能"。 結(jié)論、影響和范圍本發(fā)明提供廉價的方法來制造更大的、更強(qiáng)的并且完全沒有點缺陷、 空位缺陷、位錯缺陷和其他晶體缺陷的半導(dǎo)體襯底晶片、半導(dǎo)體外延層 半導(dǎo)體襯底晶錠和其他的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種對襯底晶片進(jìn)行低溫處理的方法，所述襯底晶片由取自周期表的III-V族的材料構(gòu)成，所述方法包括(a)將襯底晶片的溫度降至低溫水平，(b)使所述晶片的所述溫度保持在所述低溫水平，(c)使所述晶片的溫度回升至室溫，(d)使所述晶片的溫度升高至高于室溫，(e)使所述晶片的所述溫度保持一段時間，(f)使所述晶片的溫度返回至所述室溫，由此，所述襯底晶片的低溫處理用于消除所述襯底晶片的點缺陷、位錯缺陷、空位缺陷和其他結(jié)晶缺陷。
全文摘要
使用氦低溫保持器，用24小時將襯底晶片的溫度降至2.2開爾文。均溫段將使襯底晶片的溫度在2.2開爾文保持96小時。在該溫度，諸如GaAs、InP和GaP等合金將形成偶極分子矩，其在分子鍵縮短時沿著內(nèi)磁力線重新對齊。用24小時使襯底晶片的溫度斜升至室溫。使襯底晶片的溫度斜升以確保晶片內(nèi)出現(xiàn)的溫度梯度維持在較低的水平。通常，回火斜升溫度介于300℉～1100℉之間并取決于用于構(gòu)造該襯底晶片的單晶材料。襯底晶片經(jīng)歷回火保持段，其確保整個襯底晶片均具有回火溫度的受益。
文檔編號C23C14/34GK101675179SQ200880015063
公開日2010年3月17日 申請日期2008年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者約瑟夫·里德·亨利茨 申請人:Opc激光系統(tǒng)有限公司