CN117587507B - 一种改善碳化硅外延片掺杂均匀性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种改善碳化硅外延片掺杂均匀性的方法及装置，装置包括外延炉；外延炉内水平设置有用于碳化硅生长的腔室，腔室的前端连通有水平延伸的导气管，导气管适于通过水平延伸的第一管路向腔室内通入第一生长气体；导气管的顶部设置有垂直第一管路进行连通的第二管路，第二管路适于向腔室内通入第二生长气体。方法可以利用上述的装置进行碳化硅外延层的生长以及掺杂。本申请的有益效果：本申请通过在传统方式的基础上增加第二管路，通过第二管路向腔室内通入为外延片生长提供碳原子的第二生长气体。并且通过对第二管路的结构尺寸和位置尺寸进行设计，以及对第二生长气体的气压进行控制，可以有效的改善碳化硅外延片掺杂的均匀性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种改善碳化硅外延片掺杂均匀性的方法及装置。
背景技术
碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料之一，相比于硅器件而言，具有耐高温、 高迁移率、高击穿电压等优势，是制作高温、高频、大功率、高压以及抗辐射电子器件的理想材料。因此，碳化硅半导体材料已经成为国际上公认的将引领电力电子特别是大功率电力电子下一个50年的最佳电子材料。
碳化硅外延膜厚与掺杂均匀性与器件性能息息相关，均匀性良好不仅可以降低器件的离散，也能提高器件的性能。如何提高大尺寸均匀性是行业内研究的热点。现有的碳化硅水平式外延生产***中，通过调节主氢流量，碳硅比，中旁路气体分配来调节掺杂均匀性，其掺杂曲线基本上是边缘高，中间凸或平的形式，其均匀性在2%-5%范围内。
随着碳化硅衬底技术的发展，6英寸衬底已经取代4英寸成为主流，各大衬底厂商也研发出8英寸的衬底，往后几年8英寸也必将成为主流。但是，现有的碳化硅水平式外延生产方式并不适用于大尺寸的衬底。所以，现在急需对传统的碳化硅水平式外延生产进行改进。
发明内容
本申请的其中一个目的在于提供一种能够解决上述背景技术中至少一个缺陷的改善碳化硅外延片掺杂均匀性的方法。
本申请的另一个目的在于提供一种能够解决上述背景技术中至少一个缺陷的改善碳化硅外延片掺杂均匀性的装置。
为达到上述的至少一个目的，本申请采用的技术方案为：一种改善碳化硅外延片掺杂均匀性的装置，包括外延炉；所述外延炉内水平设置有用于碳化硅生长的腔室，所述腔室的前端连通有水平延伸的导气管，所述导气管适于通过水平延伸的第一管路向所述腔室内通入第一生长气体；所述导气管的顶端中部设置有垂直所述第一管路进行连通的第二管路，所述第二管路适于在进行碳化硅外延片的外延层生长时向所述腔室内通入用于提供碳原子的第二生长气体。
优选的，所述导气管为石英方管，所述石英方管的内腔呈矩形以形成所述第一管路；所述第一管路包括中间气路以及位于所述中间气路两侧的侧气路，所述第二管路连通于所述中间气路。
优选的，设所述第一管路的长度为L，沿所述第一管路的导气方向，所述第二管路与所述第一管路的连通处至所述第一管路的进气端的距离为X；则X=（0.4~0.6）L。
优选的，设所述中间气路沿垂直导气方向的水平宽度为D，所述第二管路的宽度为d；则d=（0.2~0.4）D。
优选的，所述第二管路内的所述第二生长气体的压力为0.2~0.4bar。
优选的，所述第二生长气体为乙烯、乙烷、丙烯以及丙烷中的一种。
优选的，所述第一生长气体包括氢气、乙烯、TCS（三氯氢硅）、氯化氢以及掺杂剂。
一种改善碳化硅外延片掺杂均匀性的方法，包括如下生长过程：
S100：将衬底放置于腔室后，由第一管路向腔室内通入氢气并于设定时间内进行升温至刻蚀温度；
S200：在刻蚀温度下，由第一管路向氢气环境下的腔室内通入氯化氢以进行刻蚀过程；
S300：在刻蚀结束后，由第一管路向腔室内通入乙烯和TCS并持续设定时间以进行缓冲层的生长；
S400：缓冲层生长完成后，调节腔室的温度至设定温度；由第一管路向腔室内通入掺杂剂，以及由第二管路按照设定气压向腔室内通入第二生长气体，通过维持设定时间以进行外延层的生长和掺杂。
优选的，在步骤S300中，乙烯的流量为22sccm，TCS的流量为80sccm。
优选的，在步骤S400中，腔室的温度调节至1600~1620℃；掺杂剂为氮气，且中间气路的氮气占总氮气量的60%~80%。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
本申请通过在传统方式的基础上增加第二管路，通过第二管路向腔室内通入为外延片生长提供碳原子的第二生长气体。并且通过对第二管路的结构尺寸和位置尺寸进行设计，以及对第二生长气体的气压进行控制，可以有效的改善碳化硅外延片掺杂的均匀性。
附图说明
图1为本发明的整体剖视结构示意图。
图2为本发明侧视方向的结构示意图。
图3为本发明于碳化硅外延片上选取的掺杂测试点的结构示意图。
图4为本发明图3中掺杂测试点对应的坐标。
图5为采用传统方式进行碳化硅外延片掺杂生长的掺杂曲线图。
图6为本发明中碳化硅外延片掺杂生长处于较劣情况的掺杂曲线图。
图7为本发明中碳化硅外延片掺杂生长处于较优情况的掺杂曲线图
图中：外延炉1、腔室100、衬底200、导气管3、第一管路310、中间气路3101、侧气路3102、第二管路320。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”、 “横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本申请的具体保护范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本申请的一个方面提供了一种改善碳化硅外延片掺杂均匀性的装置，如图1和图2所示，其中一个优选的实施例包括外延炉1和导气管3。外延炉1内水平设置有用于碳化硅生长的腔室100，导气管3水平延伸且连通于腔室100的前端。导气管3内设置有水平延伸的第一管路310，导气管3可以通过水平延伸的第一管路310向腔室100内通入第一生长气体。同时，导气管3的顶端中部设置有垂直第一管路310进行连通的第二管路320；碳化硅外延片包括缓冲层和外延层，第二管路320可以在进行碳化硅外延片的外延层生长时向腔室100内通入第二生长气体，第二生长气体可以为碳化硅外延层的生长提供碳原子。
应当知道的是，传统的碳化硅外延片的制备和掺杂装置只包括有第一管路310，即外延片的生长过程中，只通过第一管路310向腔室100内通入第一生长气体。
对于外延片的掺杂均匀性可以通过外延片上各掺杂测试点的掺杂浓度的均方差除以平均值来进行表示，则在掺杂平均值不变的情况下降低均方差即可降低掺杂均匀性，即外延片的掺杂均匀性越好。具体的说，掺杂浓度值不体现掺杂均匀性，各掺杂测试点对应的掺杂浓度值与平均值的偏差体现掺杂均匀性。
对于掺杂测试点的选取，如图3所示，可以在圆形的外延片上分别划分相互垂直的两条直径线，在两条直径线上选择等分点即可得到所需的掺杂测试点1~17；其中，掺杂测试点1~9位于同一直径线，掺杂测试点10~17位于同一直径线，掺杂测试点5位于中心位置。对于同一直径线上相邻的掺杂测试点的距离可以根据外延片的实际尺寸进行划分，为了方便理解，本实施例以6英寸外延片的衬底200为例，给出一组掺杂测试点的坐标如图4所示，则同一直径线上相邻掺杂测试点的距离为17.5mm。
通过传统方式获得的外延片在对图3和图4所示坐标点的掺杂测试点进行掺杂浓度检测后，可以得到如图5所示的掺杂曲线图。由图中参数，可以计算得到采用传统方式得到的外延片的掺杂均匀性值为2.81%。
同时，由图5可知，掺杂测试点1（10）、5以及9（17）对应的掺杂浓度值较高，而掺杂测试点2（11）和8（16）对应的掺杂浓度值较低。则为了保证掺杂的均匀性，需要将掺杂测试点1（10）、5以及9（17）对应的掺杂浓度值降低和/或将掺杂测试点2（11）和8（16）对应的掺杂浓度值进行提高。对于掺杂浓度，本申请以N型掺杂为例，主要受温度和碳硅比影响；掺杂时的温度越高对应的掺杂浓度值越高，碳硅比越高对应的掺杂浓度值越低。
对于温度控制，整个腔室100都可能受到影响，即很难对腔室100的特定位置的温度进行单独调整。所以本实施例选择对特定位置的碳硅比进行调整来改善整个碳化硅外延片的掺杂均匀性。
具体的，本实施例在传统第一管路310的基础上于导气管3的顶端中部设置第二管路320。第一生长气体需要预先混合后在十字架分配，然后通过第一管路310输送至腔室100内的衬底200上方；而第二管路320通入的第二生长气体将单独通过第一管路310的后段输送至腔室100内的衬底200上方而不经过十字架分配。第二管路320输入腔室100内的第二生长气体主要集中于外延片的中部，即主要集中于掺杂测试点5的附近，进而导致掺杂测试点5对应碳硅比增加，从而降低掺杂测试点5对应的掺杂浓度以实现外延片整体均匀性的改善。
可以理解的是，对于第二管路320的设置，若将第二管路320设置于第一管路310的前端，则第二生长气体经过第一管路310的距离较长，进而与第一管路310内的第一生长气体进行充分的混合均匀，从而导致第二生长气体到达衬底200的上方时，沿垂直于进气方向上的浓度基本一致，使得第二生长气体对整个外延片的碳硅比影响基本一致，即掺杂效果影响不明显。
若将第二管路320直接连接于导气管3的后端，则第二生长气体将不经过第一管路310直接进入到腔室内。这将导致外延片中间部分较大区域内的碳原子浓度增加，即中间较大部分区域对应的碳硅比的值较大，进而将导致外延片的整体掺杂均匀性的值增加。如图6所示，为第二管路320直接连接于导气管3的后端所获得的外延片的各掺杂测试点对应的掺杂曲线图，由图6可以看出，掺杂测试点4~6以及13和14对应的掺杂浓度值显著降低，由图中参数可以计算得到此时外延片的掺杂均匀性值为3.33%。
基于上述内容，在本实施例中，第二管路320优选连接于导气管3的顶端中部，使得输入腔室100内的第二生长气体主要集中于掺杂测试点5的附近区域；从而可以保证获得的外延片具有良好的掺杂均匀性。对于第二管路320的具体设置连通位置，可以选择不同的设置位置进行多次的实验检测，经多次实验可以得到第二管路320的连通较佳位置为沿导气管3的进气方向的2/5~3/5处。以参数来表示的话，可以设第一管路310的长度为L，沿第一管路310的导气方向，第二管路320与第一管路310的连通处至第一管路310的进气端的距离为X；则X=(0.4~0.6)L。
本实施例中，如图1和图2所示，导气管3的具体结构有多种，例如导气管3为石英方管，石英方管的内腔呈矩形以形成第一管路310。第一管路310包括中间气路3101以及位于中间气路3101水平两侧的侧气路3102，中间气路3101和侧气路3102之间通过隔板进行隔开；第二管路320连通于中间气路3101。
应当知道的是，若第一管路310为单一的气路结构，则第一管路310沿水平方向的宽度较宽，进而在第一生长气体沿第一管路310进入腔室100时，第一生长气体可能主要集中于腔室100的中间区域，这将导致衬底200上外延片侧部的掺杂浓度与中部的掺杂浓度产生较大的差异，进而导致掺杂均匀性值显著增大。而将第一管路310通过石英隔板分隔为中间气路3101和侧气路3102，可以保证衬底200上方的第一生长气体的均匀性。而第二生长气体主要集中作用于衬底200上的外延片中间区域，所以将第二管路320连通于第一管路310的中间气路3101。
本实施例中，如图1和图2所示，第二管路320对应的管体也为石英管，且第二管路320对应的管体可以为方管也可以为圆管，具体可以根据实际需要自行进行选择。例如图2所示，本实施例中对于第二管路320对应的管体采用圆管，则后续内容也将以圆管为例进行说明。
本实施例中，如图2所示，对于第二管路320的设计，在垂直于第一管路310的进气方向上的宽度也有要求，若第二管路320占据中间气路3101的宽度较大，则输入腔室300内衬底200上方的第二生长气体对应的宽度也将较大，进而对衬底200上的外延片的影响范围也较大，也可能会造成图6所示的效果。若第二管路320占据中间气路3101的宽度较小，则衬底200上的外延片中间区域的掺杂效果不明显，即对外延片的整体掺杂均匀性的影响较小。
对于第二管路320的宽度设计，可以选择不同的宽度尺寸进行多次的实验检测，经多次实验可以得到第二管路320的较佳宽度尺寸为中间气路3101宽度的1/5~2/5，最优值约为1/3。以参数来表示的话，可以设中间气路3101沿垂直导气方向的水平宽度为D，第二管路320的宽度为d；则d=(0.2~0.4)D。且在进行第二管路320的设置时，第二管路320的中心点位于中间气路3101沿进气方向的宽度中点。
本实施例中，第一管路310内通入的第一生长气体的压力约为0.12bar；则第二管路320内通入的第二生长气体于第二管路320与第一管路310连通处的压力有严格要求。若连通处的压力过大，则在第二生长气体由第二管路320进入到第一管路310内时，可能会造成第一管路310内的第一生长气体出现紊流，进而导致衬底200上的外延片表面粗糙度异常，表面的缺陷也将大幅增加。若连通处的压力过小，则第一管路310内的第一生长气体可能会倒灌至第二管路320内，进而导致第二生长气体无法流出，最终导致第二管路320失效。对于第二生长气体的压力设计，可以选择不同的压力参数进行多次的实验检测，经多次实验可以得到第二管路320内的第二生长气体的较佳压力为0.2~0.4bar，最优的气体压力约为0.3bar；即第二管路320与第一管路310连通处的气体压力约为0.3bar。
为了方便理解，本实施例中可以选择第二管路320的一个较优的设计方案的实验参数进行说明。该设计方案中，第二管路320与第一管路310的连通处至第一管路310进气端的距离X=0.5L；第二管路320的直径为中间气路3101沿垂直进气方向的水平宽度的1/3；第二管路320中通入的第二生长气体的压力为0.3bar。
则如图7所示，为上述方案进行实验后获得的外延片上各掺杂测试点对应的掺杂曲线图。由图7中的参数可以计算得到，该方案下获得的碳化硅外延片的整体掺杂均匀性值为1.4%，为传统方案下的一半；故本申请的方案可以有效的改善外延片的掺杂均匀性。
本实施例中，由上述内容可知，第二生长气体的目的是在外延片生长过程中为外延片的中间区域提供碳原子。而能够提供碳原子的气体有乙烯、乙烷、丙烯以及丙烷等；从而第二生长气体可以为乙烯、乙烷、丙烯以及丙烷等中的一种。
本实施例中，第一生长气体主要是用于外延片的整个生长过程，则第一生长气体主要包括氢气、乙烯、TCS（三氯氢硅）、氯化氢以及掺杂剂等。
本申请的另一个方面提供了一种利用上述的装置进行改善碳化硅外延片掺杂均匀性的方法，外延片生长于衬底200，主要包括缓冲层和外延层。外延片的生长采用水平热壁式CVD技术，主要的生长过程如下：
S100：将衬底200放置于腔室100后，由第一管路310向腔室100内通入氢气并于设定时间内进行升温至刻蚀温度。
具体的说，利用机械手将洗净的衬底200放置于外延炉1内的腔室100；然后由第一管路310的中间气路3101以及侧气路3102同时向腔室100内通入氢气；同时，通过外延炉1外部的加热装置（未画出，具体结构和原理为本领域技术人员所公知）对外延炉1进行加热，以使得腔室100内的温度在设定的时间内上升至刻蚀温度。
一般来说，升温的时间可以根据实际的需要自行进行设定，本实施例以14min为例，即腔室100在14min内被加热至刻蚀温度。对于刻蚀温度，可以根据具体的工艺需求进行设定。向腔室100内通入氢气的目的是为了对衬底200进行还原处理，衬底200为碳化硅单体，通过在氢气环境下对衬底200进行高温还原，可以使衬底200的质量更加的纯净。
S200：在刻蚀温度下，由第一管路310向氢气环境下的腔室100内通入氯化氢以进行刻蚀过程。
具体的说，由第一管路310的中间气路3101以及侧气路3102同时向腔室100内通入氯化氢，氯化氢可以防止衬底200在刻蚀阶段产生硅团簇，同时还可以改善衬底200的外延粗糙度。刻蚀阶段的持续时刻可以根据工艺要求自行进行设定，一般来说刻蚀阶段的持续时间在5~20min。
S300：在刻蚀结束后，由第一管路310向腔室100内通入乙烯和TCS并持续设定时间以进行缓冲层的生长。
具体的说，由第一管路310的中间气路3101以及侧气路3102同时向腔室100内通入乙烯和TCS。乙烯是碳化硅生长所需的碳源化合物；当然，也可以选择乙烷、丙烯以及丙烷等作为碳源化合物；TCS，即三氯氢硅，是碳化硅生长所需的重要硅源化合物。缓冲层的生长阶段持续时间可以根据工艺要求进行设定；本实施例以7min为例；则缓冲层将以6~7μm/h的生长速度进行7min生长。
S400：缓冲层生长完成后，调节腔室100的温度至设定温度；由第一管路310向腔室100内通入掺杂剂，以及由第二管路320按照设定气压向腔室100内通入第二生长气体，通过维持设定时间以进行外延层的生长和掺杂。
具体的说，在缓冲层生长完成后，可以控制位于外延炉1外部的加热装置对腔室100进行温度调节至外延层生长工艺所需的设定温度。然后由第一管路310的中间气路3101和侧气路3102同时向腔室100内通入掺杂剂，掺杂剂可以根据掺杂竞位原则在外延层生长过程进行原子取代以实现掺杂。同时，第二生长气体由第二管路320按照设定的压力通入中间气路3101的后段并流入腔室100内，进而为外延层的生长提供碳源，尤其是外延层的中部区域可以提供较多的碳源，使得外延层中部的碳硅比较高。
外延层的生长时间可以根据实际的工艺需求自行进行设定，并且在外延层生长阶段，外延层的生长速度将由6~7μm/h提升至60μm/h。
本实施例中，在进行步骤S300时，乙烯的流量为22sccm，TCS的流量为80sccm。
本实施例中，在进行步骤S400时，腔室100的温度可以调节至1600~1620℃。由于本申请为N型掺杂，则掺杂剂为氮气，氮气可以根据掺杂竞位原则用氮原子取代外延层中的碳原子来实现掺杂。氮气的流量越大，外延层的掺杂浓度值越高；则中间气路3101通入的氮气占总氮气量的60%~80%。
以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (3)
1.一种改善碳化硅外延片掺杂均匀性的装置，包括外延炉，所述外延炉内水平设置有用于碳化硅生长的腔室；其特征在于：所述腔室的前端连通有水平延伸的导气管，所述导气管适于通过水平延伸的第一管路向所述腔室内通入第一生长气体；
所述导气管的顶端中部设置有垂直所述第一管路进行连通的第二管路，所述第二管路适于在进行碳化硅外延片的外延层生长时向所述腔室内通入用于提供碳原子的第二生长气体；
所述导气管为石英方管，所述石英方管的内腔呈矩形以形成所述第一管路；所述第一管路包括中间气路以及位于所述中间气路两侧的侧气路，所述第二管路连通于所述中间气路；在进行所述第二管路的设置时，所述第二管路的中心点位于所述中间气路沿进气方向的宽度中点；
设所述第一管路的长度为L，沿所述第一管路的导气方向，所述第二管路与所述第一管路的连通处至所述第一管路的进气端的距离为X；则X=（0.4~0.6）L；
设所述中间气路沿垂直导气方向的水平宽度为D，所述第二管路的宽度为d；则d=（0.2~0.4）D；
所述第二管路内的所述第二生长气体的压力为0.2~0.4bar。
2.如权利要求1所述的改善碳化硅外延片掺杂均匀性的装置，其特征在于：所述第二生长气体为乙烯、乙烷、丙烯以及丙烷中的一种。
3.如权利要求1所述的改善碳化硅外延片掺杂均匀性的装置，其特征在于：所述第一生长气体包括氢气、乙烯、TCS、氯化氢以及掺杂剂。
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