CN103556219B - 一种碳化硅外延生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种碳化硅外延生长装置，该装置为圆柱形，其中由外至内依次设置加热线圈、石英壁、石墨软毡、石墨支撑层和由其围成的反应腔，反应腔两端分别设有进气装置和出气装置，石墨支撑层内壁镀有镀层，并排设置的补气管为与圆柱形轴向平行通过石墨软毡并垂直通过石墨支撑层的L型补气管，补气管内壁镀有镀层。该装置中的补气管提供的气体对气流下方起到了补偿作用，使得气流上方和下方的浓度分布趋于一致，使得碳化硅外延层的厚度均匀性得以改进；抑制了气体中的气相成核，可提高生长速率，可快速制备超厚高度均匀碳化硅外延片。且该生长装置结构简单，制作简单，实施简单，制造成本低，外延生长速率快，质量优良，容易安装和操作，适合工业化生产。

Description

一种碳化硅外延生长装置

技术领域

本发明涉及晶体外延层生长装置，具体涉及一种碳化硅外延生长装置。

背景技术

碳化硅（SiC）是继第一代半导体材料硅、锗和第二带半导体材料砷化镓、磷化铟后发展起来的第三代半导体材料，碳化硅材料的宽禁带是硅和砷化镓的2～3倍，使得半导体器件能在相当高的温度下（500℃以上）工作以及具有发射蓝光的能力；高击穿电场比硅和砷化镓均要高一个数量级，决定了半导体器件的高压、大功率性能；高的饱和电子漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速工作性能；导热率是硅的3.3倍，砷化镓的10倍，意味着其导热性能好，可以大大提高电路的集成度，减少冷却散热***，从而大大减少整机的体积。因此可以预见不久的将来，随着碳化硅材料和器件工艺的不断完善，部分Si领域被碳化硅来替代指日可待。由于碳化硅具有宽带隙、高临界击穿场强、高的热导率、高的电子饱和飘逸速率等特点，特别适合大功率、高电压电力电子器件，成为当前电力电子领域的研究热点。

目前生长SiC外延材料的主要方法为化学气相传输法（CVD）。该方法可以生长高纯度、大尺寸的SiC外延片，并可有效地减少SiC外延材料中的各种缺陷。要获得高质量的外延晶体必须精确控制多种晶体生长参数，如：沉积温度、沉积室压力、腔体真空、各反应气体分压（配比）等。

化学气相沉积原理：化学气相沉积生长碳化硅(SiC)晶体密闭反应器，外部加热使反应室保持所需要反应温度，反应气体SiH4由H2或Ar载带，与C2H4混合，再一起通入反应器，反应气体高温下分解生成碳化硅并附着衬底材料表面，并沿着材料表面不断生长，反应产生残余气体废弃处理装置处理排放掉。

其主要包括如下反应：2SiH4+C2H4=2SiC+6H2。

高电压的碳化硅电力电子器件需要的外延层厚度达几十微米到上百微米，一般电压10kV的器件需要的外延厚度大约100um，而目前成熟的碳化硅外延生长速率只有5～7um/h左右，如果在这样的生长速率下生长100um的厚碳化硅外延材料，需要14-20个小时，显然大大增加制造成本，并且随着外延生长周期的延长，会在反应腔壁沉积更多的污染物，进而污染外延片，所以要生长高质量、厚的碳化硅外延片必须提高外延的生长速率。

生长速率慢的可能原因是反应源气体的分解率低和反应气体中易形成的硅聚集物，如何提高生长速率即演变为提高反应源的分解率或抑制硅聚集物的产生，现有技术中，通过在反应气流中引入Cl化物，利用Cl元素的刻蚀作用来抑制硅聚集物的形成，以此来提高生长速率，但是Cl化物的引入，要增加额外的气体管道等设备，并且含有Cl元素的尾气对环境污染极大。

另外，生长过程中会存在“耗尽”现象，是指反应气体平行于衬底流动时，在气流的上方浓度较大，气流的下方浓度较小，于是在衬底表面靠近气流上方部位的外延层会更厚而在靠近气流下方的部位的外延层会更薄。

高电压器件所需的外延厚度越厚，由“耗尽”现象所引起的厚度不均匀性就越严重，所以在实现快速外延生长的同时，也需解决不均匀性问题。

发明内容

为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种改进的碳化硅外延生长装置，本发明的技术方案是通过在反应腔上方引入补气管，通过补气管，气流从上往下进入反应室与反应腔入口的气流混合，在碳化硅衬底上经过反应形成碳化硅外延薄膜，再流出反应腔，达到快速生长高度均匀的碳化硅外延片的目的。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

一种碳化硅外延生长装置，装置为圆柱形，其中由外至内依次设置加热线圈、石英壁、石墨软毡、石墨支撑层和由其围成的反应腔，反应腔两端分别设有进气装置和出气装置，石墨支撑层内壁镀有镀层，并排设置的补气管为与圆柱形轴向平行通过石墨软毡并垂直通过石墨支撑层的L型补气管，补气管内壁镀有镀层。

石墨支撑层用于支撑碳化硅衬底6，且可防止石墨软毡3在高温下分解对腔体产生污染。

石英壁为反应腔体壁。

感应线圈1为反应腔体提供热量。

进一步的，镀层为碳化硅或碳化钽镀层，厚度为70～100um。阻止石墨中的杂质向反应腔扩散。

进一步的，补气管直径为0.5～1cm，由石墨制成。

石墨在温度1500℃～1700℃下，稳定性好，不发生形变、软化现象。

进一步的，补气管由高纯石墨制成。减少了杂质对碳化硅外延生长的影响。

补气管并排覆盖反应室整个截面。

可以兼容2英寸、3英寸、4英寸、6英寸等多尺寸碳化硅外延片的生长。

补气管经过石墨软毡包裹的热区，提高了气体源的有效分解速率，进而提高了生长速率。

补气管中从上往下的气流，由于从上往下的吹拂作用，能使气体反应源直接注入到衬底表面，抑制了在衬底上方的气相的硅聚集成核，从而提高了生长速率。

补气管提供的气体对气流下方起到了补偿作用，消减了因“耗尽”现象导致的气流下方浓度小的问题，使得气流上方和下方的浓度分布趋于一致，所以使得碳化硅外延层的厚度均匀性得以改进。

进一步的，补气管进气端装有气体流量计。

进一步的，补气管正对石墨支撑层上的碳化硅衬底中部，且其出气嘴距碳化硅衬底4～11cm。

补气管引入的气体源种类和反应腔进气装置引入气体源种类一致。

每个补气管分别装有气体流量计，其气体流量可依据工艺需要进行调节。气流流量在2～100sccm范围内。

补气管的气体流量可依据需要分别控制，依据需要提高碳化硅外延片中间和边缘厚度的均匀性。

补气管的气体流量可以以中间为中心，两边气流大小对称分布。

碳化硅外延生长速率达10-30um/h。

进一步的，圆柱形装置的截面半径为18～30cm，所述石英壁厚度为4～8mm。

进一步的，石墨支撑层厚度为1.5～2.5cm，贴合石墨软毡部分切面为圆弧状，所述反应腔为长方体。

一种碳化硅外延生长方法，该方法包括下述步骤：

a.装料：常压下于清理的反应腔中放入经清洗的碳化硅衬底；

一般采用超声波清洗设备清洗碳化硅衬底；

b.加热升温：于真空的反应腔中充入氢气至2000～50000帕，升温至900℃～1600℃；

碳化硅晶体生长之前，应先对反应室抽真空，一般采用机械泵串联扩散泵或机械泵串联分子泵进行抽气；

高温化学气相沉积生长碳化硅晶体一般采用负压生长工艺，负压下，气体分子之间距离增大，气体浓度不变情况下，提高了沉积效率。另外，负压沉积时，可使反应生成物废气尽快排除，有利于化学反应顺利进行，减少对生长碳化硅晶体产生污染。这点对于获得组织致密、均匀一致、性能稳定可靠高质量大直径晶体，十分重要；

c.原位蚀刻：通入氢气和氯化氢或其一及碳源气体对碳化硅衬底进行原位蚀刻3～20分钟后用氢气吹拂3～15分钟；

清理表面的颗粒或损伤，乙烷可抑制过度刻蚀和刻蚀中硅滴的形成；

d.沉淀生长：加热至1600～1700℃后通入反应气体源硅源、碳源和掺杂剂进行外延生长。

步骤d中硅源为SiH₄。

进一步的，碳源为CH₄、C₂H₄和C₃H₈的任意组合。

进一步的，步骤d中掺杂剂为三甲基铝、氮气和硼烷中的一种。

反应气体SiH₄、碳源气体需先经过气体纯化装置干燥、过滤、净化，SiH₄和碳源气体高温分解产生固态SiC晶体膜，气态生成物H₂从衬底材料表面脱离移开，不断地通入反应气体，SiC膜层材料不断生长；

沉积过程选择最佳反应源气体流量配比；

此步为反应最慢一步决定了整个反应沉积速率；

生长到目标厚度即切断反应源和电源开始冷却。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1.本发明中的补气管所用石墨为高纯石墨，且补气管表面镀了一层碳化硅（SiC）或碳化钽（TaC）镀层，阻止了石墨中的杂质向反应腔扩散，减少了杂质对碳化硅外延生长的影响。

2.本发明中的补气管并排覆盖反应室整个截面，可以兼容2英寸、3英寸、4英寸、6英寸等多尺寸碳化硅外延片的生长。

3.本发明中的补气管经过石墨软毡包裹的热区，提高了气体源的有效分解速率，进而大幅度提高了生长速率。

4.本发明中的补气管提供的气体与主进气口提供的气体在衬底上方垂直混合，可大大抑制硅的气相成核，使得生长速率得以提高。

5.本发明中的补气管提供的气体对气流下方起到了补偿作用，消减了因“耗尽”现象导致的气流下方浓度小的问题，使得气流上方和下方的浓度分布趋于一致，使得碳化硅外延层的厚度均匀性得以改进。

6.本发明中的每个补气管分别装有气体流量计，其气体流量可依据工艺需要进行调节，实现分别控制，依据需要提高碳化硅外延片中间和边缘厚度的均匀性。

7.本发明可以快速制备超厚高度均匀碳化硅外延片。

8.本发明的生长装置结构简单，制作简单，实施简单，制造成本低，容易安装，容易操作。

9.本发明的生长装置使得生长速率提高了4～6倍，特别适合于电力电子器件需求的厚外延生长。

10.适合工业化生产，效果显著。

附图说明

图1是碳化硅外延生长装置示意图；

1加热线圈；2石英壁；3石墨软毡；4石墨支撑台；5尾气出口；

6碳化硅衬底；7补气管；10补气管的反应源气体流；

10-1补气管中有效中间化学反应物；10-2补气管化学反应后的尾气

8主进气口；9主进气口的反应源气体流；9-1主进气口中有效中间化学反应物；

9-2主进气口化学反应后的尾气。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明的一种碳化硅外延生长装置，装置为圆柱形，截面半径为18cm，其中由外至内依次设置加热线圈、石英壁、石墨软毡、石墨支撑层和由其围成的长方体反应腔，反应腔两端分别设有进气装置和出气装置，石墨支撑层内壁镀有镀层，镀层为碳化硅，厚度为70um，并排设置的补气管为与圆柱形轴向平行通过石墨软毡并垂直通过石墨支撑层的L型补气管，补气管内壁镀有镀层。

石英壁厚度为4mm，石墨支撑层厚度为1.5cm。

并排覆盖反应室整个截面的补气管由高纯石墨制成，内壁镀有碳化硅镀层，直径为0.5cm，镀层厚度为70um。补气管正对石墨支撑层上的碳化硅衬底中部，且其出气嘴距碳化硅衬底4cm，其进气端装有气体流量计。

碳化硅外延生长方法步骤如下：

a.装料：常压下于清理的反应腔中放入经超声波清洗设备清洗的碳化硅衬底；

b.加热升温：将反应腔采用机械泵串联扩散泵抽真空后，于真空的反应腔中充入氢气至2000帕，升温至900℃；保持5分钟；

c.原位蚀刻：通入氢气和CH₄气体对碳化硅衬底进行原位蚀刻10分钟后用氢气吹拂5分钟；H₂流量为10SLM；

d.沉淀生长：加热至1650℃后通入经气体纯化装置干燥、过滤、净化的气体SiH₄（流量为20SCCM）、C₂H₄（流量为10SCCM）和掺杂剂三甲基铝（0.004SCCM）进行外延生长，气态生成物H₂从衬底材料表面脱离移开，不断地通入反应气体，SiC膜层材料不断生长，生长到目标厚度即切断反应源和电源开始冷却。

生长膜厚为15um的碳化硅外延片，生长速率达到27um/h，所用时间为大约33分钟。

在外延片对应气流方向位置选择10个点，测量了相应的厚度值，均匀性为1.12%。

实施例2

如图1所示，本发明的一种碳化硅外延生长装置，装置为圆柱形，截面半径为20cm，其中由外至内依次设置加热线圈、石英壁、石墨软毡、石墨支撑层和由其围成的长方体反应腔，反应腔两端分别设有进气装置和出气装置，石墨支撑层内壁镀有镀层，镀层为碳化钽，厚度为80um，并排设置的补气管为与圆柱形轴向平行通过石墨软毡并垂直通过石墨支撑层的L型补气管，补气管内壁镀有镀层。

石英壁厚度为5mm，石墨支撑层厚度为1.8cm。

并排覆盖反应室整个截面的补气管由高纯石墨制成，内壁镀有碳化钽镀层，直径为0.6cm，镀层厚度为80um。补气管正对石墨支撑层上的碳化硅衬底中部，且其出气嘴距碳化硅衬底6cm，其进气端装有气体流量计。

碳化硅外延生长方法步骤如下：

a.装料：常压下于清理的反应腔中放入经超声波清洗设备清洗的碳化硅衬底；

b.加热升温：将反应腔采用机械泵串联扩散泵抽真空后，于真空的反应腔中充入氢气至10000帕，升温至1200℃；保持6分钟；

c.原位蚀刻：通入氢气和C₂H₄气体对碳化硅衬底进行原位蚀刻5分钟后用氢气吹拂5分钟；H₂流量为10SLM；

d.沉淀生长：加热至1650℃后通入经气体纯化装置干燥、过滤、净化的气体SiH₄（流量为25SCCM）、C₂H₄（流量为12SCCM）和掺杂剂氮气（5SCCM）进行外延生长，气态生成物H₂从衬底材料表面脱离移开，不断地通入反应气体，SiC膜层材料不断生长，生长到目标厚度即切断反应源和电源开始冷却。

生长膜厚为20um的碳化硅外延片，生长速率达到28um/h，所用时间为大约43分钟。

在外延片对应气流方向位置选择10个点，测量了相应的厚度值，均匀性为1.14%。

实施例3

如图1所示，本发明的一种碳化硅外延生长装置，装置为圆柱形，截面半径为25cm，其中由外至内依次设置加热线圈、石英壁、石墨软毡、石墨支撑层和由其围成的长方体反应腔，反应腔两端分别设有进气装置和出气装置，石墨支撑层内壁镀有镀层，镀层为碳化硅，厚度为90um，并排设置的补气管为与圆柱形轴向平行通过石墨软毡并垂直通过石墨支撑层的L型补气管，补气管内壁镀有镀层。

石英壁厚度为6mm，石墨支撑层厚度为2.0cm。

并排覆盖反应室整个截面的补气管由高纯石墨制成，内壁镀有碳化硅镀层，直径为0.8cm，镀层厚度为90um。补气管正对石墨支撑层上的碳化硅衬底中部，且其出气嘴距碳化硅衬底8cm，其进气端装有气体流量计。

碳化硅外延生长方法步骤如下：

a.装料：常压下于清理的反应腔中放入经超声波清洗设备清洗的碳化硅衬底；

b.加热升温：将反应腔采用机械泵串联扩散泵抽真空后，于真空的反应腔中充入氢气至20000帕，升温至1300℃；保持8分钟；

c.原位蚀刻：通入氢气和C₃H₈气体对碳化硅衬底进行原位蚀刻8分钟后用氢气吹拂15分钟；H₂流量为15SLM；

d.沉淀生长：加热至1650℃后通入经气体纯化装置干燥、过滤、净化的气体SiH₄（流量为30SCCM）、C₂H₄（流量为15SCCM）和掺杂剂硼烷（6SCCM）进行外延生长，气态生成物H₂从衬底材料表面脱离移开，不断地通入反应气体，SiC膜层材料不断生长，生长到目标厚度即切断反应源和电源开始冷却。

生长膜厚为30um的碳化硅外延片，生长速率达到29.4um/h，所用时间为大约61分钟。

在外延片对应气流方向位置选择10个点，测量了相应的厚度值，均匀性为1.02%。

实施例4

如图1所示，本发明的一种碳化硅外延生长装置，装置为圆柱形，截面半径为30cm，其中由外至内依次设置加热线圈、石英壁、石墨软毡、石墨支撑层和由其围成的长方体反应腔，反应腔两端分别设有进气装置和出气装置，石墨支撑层内壁镀有镀层，镀层为碳化硅，厚度为100um，并排设置的补气管为与圆柱形轴向平行通过石墨软毡并垂直通过石墨支撑层的L型补气管，补气管内壁镀有镀层。

石英壁厚度为8mm，石墨支撑层厚度为2.5cm。

并排覆盖反应室整个截面的补气管由高纯石墨制成，内壁镀有碳化硅镀层，直径为1cm，镀层厚度为100um。补气管正对石墨支撑层上的碳化硅衬底中部，且其出气嘴距碳化硅衬底11cm，其进气端装有气体流量计。

碳化硅外延生长方法步骤如下：

a.装料：常压下于清理的反应腔中放入经超声波清洗设备清洗的碳化硅衬底；

b.加热升温：将反应腔采用机械泵串联扩散泵抽真空后，于真空的反应腔中充入氢气至30000帕，升温至1500℃；保持20分钟；

c.原位蚀刻：通入氢气和C₃H₈气体对碳化硅衬底进行原位蚀刻6分钟后用氢气吹拂8分钟；H₂流量为15SLM；

d.沉淀生长：加热至1650℃后通入经气体纯化装置干燥、过滤、净化的气体SiH₄（流量为30SCCM）、C₂H₄（流量为15SCCM）进行外延生长，气态生成物H₂从衬底材料表面脱离移开，不断地通入反应气体，SiC膜层材料不断生长，生长到目标厚度即切断反应源和电源开始冷却。

生长膜厚为50um的碳化硅外延片，生长速率达到29.6um/h，所用时间为大约101分钟。

在外延片对应气流方向位置选择10个点，测量了相应的厚度值，均匀性为1.16%。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种碳化硅外延生长装置，所述装置为圆柱形，其中由外至内依次设置加热线圈、石英壁、石墨软毡、石墨支撑层和由其围成的反应腔，所述反应腔两端分别设有进气装置和出气装置，所述石墨支撑层内壁镀有镀层，其特征在于：并排设置的补气管为与所述圆柱形轴向平行通过所述石墨软毡并垂直通过所述石墨支撑层的L型补气管，所述补气管内壁镀有镀层。

2.如权利要求1所述的一种碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述镀层为碳化硅或碳化钽镀层，厚度为70～100um。

3.如权利要求1所述的一种碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述补气管直径为0.5～1cm，由石墨制成。

4.如权利要求3所述的一种碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述补气管由高纯石墨制成。

5.如权利要求1所述的一种碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述补气管进气端装有气体流量计。

6.如权利要求1所述的一种碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述补气管正对石墨支撑层上的碳化硅衬底中部，且其出气嘴距碳化硅衬底4～11cm。

7.如权利要求1所述的一种碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述圆柱形装置的截面半径为18～30cm，所述石英壁厚度为4～8mm。

8.如权利要求1所述的一种碳化硅外延生长装置，其特征在于：所述石墨支撑层厚度为1.5～2.5cm，所述反应腔为长方体。