CN105714380A - 一种碳化硅外延生长装置及方法 - Google Patents

一种碳化硅外延生长装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅外延生长装置，包括筒体和加热线圈，筒体的内腔为反应腔，筒体的一端设置有进气口、另一端设置有排气口，筒体侧壁自外至内依此为石英壁、石墨软毡层和石墨支撑层，石墨支撑层上设置有衬底基座，石墨软毡层中设置有与外部气源连接的补气通道和气浮供气通道，其中，气浮供气通道的出气端设置在衬底基座上，碳化硅衬底气浮于衬底基座上，补气通道的出气端位于碳化硅衬底的上方。本发明通过在反应腔上方引入补气管，气流从上往下进入反应腔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。本发明还公开了一种使用上述装置的碳化硅外延生长方法。

Description

一种碳化硅外延生长装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别是一种碳化硅外延生长装置，以及使用这种装置的碳化硅外延生长方法。
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
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种改进的碳化硅外延生长装置；本发明还提供了一种使用上述装置的碳化硅外延生长方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种碳化硅外延生长装置，该装置包括一水平设置的筒体和设置在该筒体外侧的加热线圈，筒体的内腔为反应腔，该筒体的一端设置有进气口、另一端设置有排气口，筒体侧壁自外至内依此为石英壁、石墨软毡层和石墨支撑层，所述石墨支撑层上设置有衬底基座，所述石墨软毡层中设置有与外部气源连接的补气通道和气浮供气通道，其中，所述气浮供气通道的出气端设置在所述衬底基座上，碳化硅衬底气浮于衬底基座上，所述补气通道的出气端位于碳化硅衬底的上方。
进一步，所述补气通道和所述气浮供气通道的壁由石墨制成，二者的内径为0.3～0.7cm。
进一步，所述石墨支撑层的内表面、所述补气通道的内壁和气浮供气通道的内壁上镀有镀层；所述镀层为碳化硅或碳化钽镀层，厚度为50～70um。
进一步，所述补气通道和所述气浮供气通道的进气端安装有气体流量计。
进一步，所述碳化硅衬底的中部对应在所述气浮供气通道的出气端，该出气端与衬底基座的上表面平齐；所述补气通道的出气端正对该碳化硅衬底中部，且其该出气端距碳化硅衬底上表面4～11cm。
进一步，所述筒体的内径为15～32cm，所述石英壁厚度为5～10mm，所述石墨支撑层厚度为1.5～2.5cm，所述反应腔为长方体，所述衬底基座由石墨制成。
一种使用上述装置的碳化硅外延生长方法，该方法包括下述步骤：
a.装料：常压下，在反应腔中的衬底基座上放上碳化硅衬底；
b.加热升温：，对所述反应腔抽真空，之后向反应腔中充入氢气至2000～50000帕，并将反应腔加热至900℃～1600℃；
c.原位蚀刻：向反应腔中通入氢气和/或氯化氢，及碳源气体对所述碳化硅衬底进行原位蚀刻，5～15分钟后用氢气吹拂5～10分钟；
d.沉淀生长：将反应腔加热至1600～1700℃后通入硅源、碳源和掺杂剂作为反应气体源进行碳化硅外延生长。
进一步，所述碳源为CH4、C2H4和C3H8中一种或几种的任意组合。
进一步，所述硅源为SiH4。
进一步，所述掺杂剂为三甲基铝或氮气。
本发明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腔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。在反应腔下方引入气浮管，通过气浮管进气使晶片悬浮，提高外延片的厚度和掺杂浓度不均与性。
附图说明
图1为碳化硅外延生长装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。
如图1所示本发明的一种碳化硅外延生长装置，包括筒体11和加热线圈1，筒体11为圆柱形，其内部中空形成反应腔9，筒体11的内径为15～32cm，筒体11的一端设置有进气口8、另一端设置有排气口5，在进气口8和排气孔5附近分别设置有进气装置和出气装置，筒体11侧壁自外至内依此为石英壁2、石墨软毡层3和石墨支撑层4，石英壁2厚度为4mm，石墨支撑层4厚度为1.5cm，石墨支撑层4内壁镀有镀层，镀层为碳化硅，厚度为70um，石墨支撑层4上设置有衬底基座6，石墨软毡层10中设置有与外部气源连接的补气通道10和气浮供气通道7，其中，气浮供气通道7的出气端设置在衬底基座6上，碳化硅衬底气浮于衬底基座6上，补气通道10的出气端位于碳化硅衬底的上方。碳化硅衬底的中部对应在气浮供气通道7的出气端，该出气端与衬底基座6的上表面平齐；补气通道10的出气端正对该碳化硅衬底中部，且其该出气端距碳化硅衬底上表面4～11cm。补气通道10和气浮供气通道7的壁由石墨制成，在壁的内侧镀有镀层，该镀层为碳化硅或碳化钽镀层，厚度为50～70um，补气通道10和气浮供气通道7的内径为0.3～0.7cm。在补气通道10和气浮供气通道7的进气端安装有气体流量计。
当然，也可以将反应腔9加工成长方体。
碳化硅外延生长方法步骤如下：
a.装料：常压下于清理后的反应腔9中放入经超声波清洗设备清洗的碳化硅衬底，并通入气浮气体氢气流量为20sccm。
b.加热升温：将反应腔9采用机械泵串联扩散泵抽真空后，于真空的反应腔9中充入氢气至2000帕，升温至900℃；保持5分钟；
c.原位蚀刻：向反应腔9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：将反应腔9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0.94%。
上述示例只是用于说明本发明，本发明的实施方式并不限于这些示例，本领域技术人员所做出的符合本发明思想的各种具体实施方式都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅外延生长装置，其特征在于，该装置包括一水平设置的筒体和设置在该筒体外侧的加热线圈，筒体的内腔为反应腔，该筒体的一端设置有进气口、另一端设置有排气口，筒体侧壁自外至内依此为石英壁、石墨软毡层和石墨支撑层，所述石墨支撑层上设置有衬底基座，所述石墨软毡层中设置有与外部气源连接的补气通道和气浮供气通道，其中，所述气浮供气通道的出气端设置在所述衬底基座上，碳化硅衬底气浮于衬底基座上，所述补气通道的出气端位于碳化硅衬底的上方。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述补气通道和所述气浮供气通道的壁由石墨制成，二者的内径为0.3～0.7cm。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述石墨支撑层的内表面、所述补气通道的内壁和气浮供气通道的内壁上镀有镀层；所述镀层为碳化硅或碳化钽镀层，厚度为50～70um。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述补气通道和所述气浮供气通道的进气端安装有气体流量计。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述碳化硅衬底的中部对应在所述气浮供气通道的出气端，该出气端与衬底基座的上表面平齐；所述补气通道的出气端正对该碳化硅衬底中部，且其该出气端距碳化硅衬底上表面4～11cm。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述筒体的内径为15～32cm，所述石英壁厚度为5～10mm，所述石墨支撑层厚度为1.5～2.5cm，所述反应腔为长方体，所述衬底基座由石墨制成。
7.一种使用上述权利要求1所述装置的碳化硅外延生长方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
a.装料：常压下，在反应腔中的衬底基座上放上碳化硅衬底；
b.加热升温：，对所述反应腔抽真空，之后向反应腔中充入氢气至2000～50000帕，并将反应腔加热至900℃～1600℃；
c.原位蚀刻：向反应腔中通入氢气和/或氯化氢，及碳源气体对所述碳化硅衬底进行原位蚀刻，5～15分钟后用氢气吹拂5～10分钟；
d.沉淀生长：将反应腔加热至1600～1700℃后通入硅源、碳源和掺杂剂作为反应气体源进行碳化硅外延生长。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳源为CH4、C2H4和C3H8中一种或几种的任意组合。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述硅源为SiH4。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂为三甲基铝或氮气。
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