CN214327969U - 一种碳化硅外延生长设备及其气源输送装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种碳化硅外延生长设备及其气源输送装置，其中，所述气源输送装置包括多个气源入口；气源输送通道，内部至少设有一个锥形结构体，所述锥形结构体将所述气源输送通道的内腔分隔成多个相互独立的通道；及气源混合区，设置在所述气源输送通道的出口端；所述气源入口的数量与所述气源输送通道的内部的通道数量一致。本实用新型的气源输送装置使生长源进入反应室之前混合更加均匀，提高碳化硅外延层的厚度均匀性及掺杂浓度的均匀性。

Description

一种碳化硅外延生长设备及其气源输送装置

技术领域

本实用新型涉及半导体生长设备技术领域，具体涉及一种碳化硅外延生长设备及其气源输送装置。

背景技术

碳化硅(SiC)材料是继第一代半导体材料硅(Si)和第二代半导体(砷化镓GaAs)后的第三代宽禁带半导体材料。碳化硅晶体结构具有同质多型的特点，其基本结构是Si-C的四面体结构，属于密堆积结构。碳化硅具有更高的禁带宽度、高临界击穿电场、高导热率、高载流子饱和漂移速度等优越的性能，在半导体照明、电力电子器件、激光器、探测器等领域具有广阔的应用前景。

碳化硅外延层的制备是在碳化硅单晶衬底上生长同质外延生长碳化硅外延层，在生长过程中碳化硅外延层的掺杂较为困难，很难达到器件制造要求。目前，碳化硅外延材料一般采用化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition，简称为CVD)制备，生长过程中生长气体在外延层直径方向上的耗尽导致了外延层上局部分点的生长速率及掺杂浓度随气源混合均匀性、气源流速和位置的变化量，造成碳化硅外延厚度及掺杂浓度的不均匀性。针对上述问题，现有技术中一般通过调整托盘及转速进行调节，虽然降低了线性耗尽造成的气源分布不均，但不能降低指数型、二次元函数型气源分布的不均匀，碳化硅外延片的掺杂浓度及厚度依然存在不均匀的问题。

实用新型内容

针对现有技术中的不足与缺陷，本实用新型提供一种碳化硅外延生长设备及其气源输送装置，用于解决碳化硅外延片各部分掺杂浓度及厚度不均匀的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种碳化硅外延生长设备的气源输送装置，所述气源输送装置设置在所述碳化硅外延生长设备的反应室的一侧，所述气源输送装置包括：

多个气源入口；

气源输送通道，内部至少设有一个锥形结构体，所述锥形结构体将所述气源输送通道的内腔分隔成多个相互独立的通道；及

气源混合区，设置在所述气源输送通道的出口端；

所述气源入口的数量与所述气源输送通道的内部的通道数量一致。

于本实用新型的一实施例中，所述锥形结构体包括：

第一锥部，位于所述气源输送通道的入口端；

第二锥部，位于所述气源输送通道的出口端；及

中间体，位于所述第一锥部与所述第二锥部之间。

于本实用新型的一实施例中，所述气源输送通道的内部设有第一锥形结构体及与所述第一锥形结构体并排设置的第二锥形结构体。

进一步地，所述第一锥形结构体及所述第二锥形结构体将所述气源输送通道的内腔分为互相独立的第一通道、第二通道及第三通道。

更进一步地，所述气源输送装置包括：

第一气源入口，对应于所述第一通道的入口；

第二气源入口，对应于所述第二通道的入口；及

第三气源入口，对应于所述第三通道的入口。

于本实用新型的一实施例中，所述第一气源入口的进气量、所述第二气源入口的进气量及所述第三气源入口的进气量分别由气体质量流量控制器控制。

于本实用新型的一实施例中，所述第一气源输送通道、所述第二气源输送通道及所述第三气源输送通道相互隔开，生长源气体从不同的所述气源入口分别进入对应的所述气源输送通道，经所述通道出口排出进入所述气源混合区。

于本实用新型的一实施例中，所述气源输送通道的两侧的侧壁上还设有隔离石英板，所述隔离石英板与所述气源输送通道的侧壁倾斜安装，所述气源输送通道的两侧的侧壁上的隔离石英板与所述锥形结构体的锥部构成喇叭式结构。

本实用新型的第二个方面是提供一种碳化硅外延生长设备，包括反应室、气源输送装置及排气装置，所述气源输送装置设置在所述反应室的一侧，所述排气装置设置在所述反应室的另一侧，其中所述气源输送装置包括：

多个气源入口；

气源输送通道，内部至少设有一个锥形结构体，所述锥形结构体将所述气源输送通道的内腔分隔成多个相互独立的通道；及

气源混合区，设置在所述气源输送通道的出口端；

所述气源入口的数量与所述气源输送通道的内部的通道数量一致。

于本实用新型的一实施例中，所述反应室与所述气源混合区相连的侧壁上设有多个与所述气源混合区相连通的进气口。

于本实用新型的一实施例中，所述进气口沿所述反应室侧壁的宽度方向均匀设置。

如上所述，本实用新型公开一种碳化硅外延生长设备及其气源输送装置，其中气源输送装置包括多个气源入口，气源输送通道通过内部设置的锥形结构体分隔成多个相互独立的通道，生长源气体通过不同的气源入口进入既定的气体通道，经通道出口进入气源混合区，而由于锥形结构体的特殊形状，通道出口喇叭口，气流由狭窄空间进入宽阔的空间，气流更加平稳，在垂直水平气流方向上更有利于混合，增加气源混合区，使气源进入反应室之前混合更加均匀，提高碳化硅外延层各点的厚度均匀性及掺杂浓度的均匀性。气源输送装置的各个气源入口进入气源输送通道的气体量可由气体质量流量控制器(MFC)精确控制，进而可调节碳源与硅源的比例及掺杂源的量，使碳化硅外延层的掺杂及厚度更加均匀。本实用新型还提供一种包含上述气源输送装置的碳化硅外延生长设备，反应室与气源输送设备相连的侧壁上设有多个与气源混合区相连通的进气孔，混合均匀的生长源气体由进气孔进入反应室进行外延生长。所述的碳化硅外延生长设备可有效调节反应室内的生长源的比例，以调整碳化硅外延层的掺杂浓度与厚度均匀性，提高碳化硅外延片的合格率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：

图1显示为本实用新型的气源输送装置的于一实施例中的结构示意图。

图2显示为图1中的锥形结构体的结构示意图。

图3显示为本实用新型的碳化硅外延生长设备于一实施例中的结构示意图。

图4显示为碳化硅外延片的厚度测试及掺杂浓度测试的测试点的位置分布图。

图5显示为采用本实用新型的碳化硅外延生长设备制备的不同炉次的碳化硅外延片的厚度均匀性。

图6显示为采用本实用新型的碳化硅外延生长设备制备的不同炉次的碳化硅外延片的掺杂浓度的均匀性。

图7显示为采用现有技术中的碳化硅外延生长设备制备的不同炉次的碳化硅外延片的厚度均匀性。

图8显示为采用现有技术中的碳化硅外延生长设备制备的不同炉次的碳化硅外延片的掺杂浓度的均匀性。

附图标记

1 气源入口

11 第一气源入口

12 第二气源入口

13 第三气源入口

2 气源输送通道

21 第一锥形结构体

22 第二锥形结构体

211 第一锥部

212 第二锥部

213 中间部

23 第一通道

24 第二通道

25 第三通道

3 气源混合区

4 反应室

41 进气口

5 排气装置

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，虽图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

本实用新型提供一种碳化硅外延生长设备的气源输送装置，能够提高碳化硅外延生长的掺杂浓度均匀性和碳化硅外延层厚度均匀性，同时可对碳化硅外延片生长层的掺杂均匀性及厚度进行调控。

请参阅图1，本实用新型提供一种碳化硅外延生长设备的气源输送装置，气源输送装置设置在碳化硅外延生长设备的反应室的一侧，其中，气源输送装置包括气源入口1、气源输送通道2及气源混合区3，气源输送通道2的内部至少设有一个锥形结构体，锥形结构体将气源输送通道2的内腔分隔成多个相互独立的通道，而气源入口的数量与气源输送通道内部的通道数量一致，且一一对应设置，气源混合区3设置在气源输送通道2的出口端。不同的生长源气体从不同的气源入口1进入特定的通道运输，经通道出口喷射而出进入气源混合区3，生长源气体在气源混合区混合均匀后进入反应室进行外延生长。由于锥形结构体21的尾端为锥部，各个通道的出口为向外扩张的喇叭口，气体由狭小的通道喷射进入宽阔空间，气流会更加平稳，在垂直水平气流方向上更有利于混合。

请参阅图2，在一实施例中，锥形结构体包括第一锥部211、第二锥部212及中间部213，第一锥部211设置在气源输送通道2的入口端，第二锥部212设置在气源输送通道2的出口端，中间部213设置在第一锥部211与第二锥部212之间，起到连接第一锥部211与第二锥部212的作用。锥形结构体21将气源输送通道2的内腔分隔成多个相互独立的通道，且由于锥形结构体的前端和后端均为锥形体，使得各个通道的入口和出口呈现出喇叭式结构。气流通过前端的喇叭口可使全部气流通入既定位置，初步混合进入特定的通道，同时喇叭式出口使气体从狭窄空间进入宽阔空间，气流会更加平稳，在垂直水平气流方向上更有利于混合。本实施例中，在气源输送通道2的两侧壁上还设有隔离石英板，隔离石英板的前端和尾端向气源输送通道2的侧壁方向倾斜安装，使得第一通道23的入口和出口及第三通道25的入口和出口均呈现处喇叭式的结构，有利于生长源气体的混合。

请参阅图1，在另一实施例中，气源输送通道2的内部并排设有第一锥形结构体21及第二锥形结构体22，气源输送通道2的内腔被第一锥形结构体21及第二锥形结构体22分隔成三个相互独立的通道，分别为第一通道23、第二通道24及第三通道25。相应的，气源输送装置包括第一气源入口11、第二气源入口12及第三气源入口13，且第一气源入口11对应于第一通道23的入口，第二气源入口12对应于第二通道24的入口，第三气源入口13对应于第三通道25的入口。不同的生长源气体从不同的气源入口进入，进入特定的输送通道，经通道出口排出进入气源混合区3，生长源气体在气源混合区3混合均匀后进入反应室。而且每一气源入口的进气量均由气体质量流量控制器(MFC)进行控制，因此，本实用新型的气源输送装置可精确控制碳源与硅源的比例，通过调节碳源与硅源的比例或者掺杂源的流量来调节外延层的生长厚度及掺杂浓度。

参见图3，本实用新型还提供一种碳化硅外延生长设备，包括反应室4、气源输送装置及排气装置5，气源输送装置设置在反应室4的一侧，排气装置5设置在反应室4的另一侧。其中气源输送装置为本实用新型的气源输送装置。反应室4与气源输送装置相连的侧壁上设有多个与气源混合区3相连通的进气口41，例如进气孔可沿侧壁的宽度方向均匀设置，生长源气体在气源混合区3混合均匀后经进气口41进入反应室4进行外延生长碳化硅层。

参见图4至图8，采用相同的生长工艺分别在本实用新型的碳化硅外延设备与现有技术中的碳化硅外延设备中生长多炉次碳化硅外延片，每炉次生长一片碳化硅外延片，然后在每片碳化硅外延片上选取多个测试点，其中，每片碳化硅外延片上选取的测试点的位置相同，然后对每个碳化硅外延片上的每个测试点进行厚度测试及掺杂浓度测试，并根据均匀性计算公式：STDEVA/AVERAGE(标准偏差/平均值)分别计算在本实用新型的设备与现有技术中的设备中生长的每一片碳化硅外延片的厚度均匀性及掺杂浓度均匀性。

参见图4，作为示例，在本实用新型的碳化硅外延设备和现有的碳化硅外延设备中分别生长26炉次的碳化硅外延片，在每片碳化硅外延片上均匀选取17个测试点，所有碳化硅外延片上选取相同位置的测试点。例如，测试点的位置包括碳化硅外延片的中心及沿碳化硅外延片的4个不同径向方向均匀选取4个测试点，并对52片碳化硅外延片的每一个测试点进行厚度测试及掺杂浓度测试，根据均匀性计算公式：STDEVA/AVERAGE(标准偏差/平均值)分别计算每一片碳化硅外延片的厚度均匀性及掺杂浓度均匀性。利用计算所得到的均匀性分别绘制本实用新型的外延设备生长碳化硅外延片的厚度均匀性及掺杂浓度均匀性的折线图及现有设备生长的碳化硅外延片的厚度均匀性及掺杂浓度均匀性。

图5显示为本实用新型的设备生长的不同炉次的碳化硅外延片的厚度均匀性，图7显示为现有设备生长的不同炉次的碳化硅外延片的厚度均匀性，其中，横坐标表示不同炉次生长的碳化硅外延片，纵坐标表示不同炉次对应的碳化硅外延片的厚度均匀性。采用本实用新型的碳化硅外延设备生长的碳化硅外延片的厚度均匀性最大值为3.5％，最小值为2.1％，且每片碳化硅外延片的厚度均匀性相差较小；而采用现有设备制备的碳化硅外延片的厚度的均匀性最大值为6％，最小值为0.1％，且各个碳化硅外延片的厚度均匀性波动较大，这说明使用本实用新型的碳化硅外延设备生长的碳化硅外延片的厚度均匀性较好，质量更稳定。

图6显示为本实用新型的设备生长的不同炉次的碳化硅外延片的掺杂浓度均匀性，图8显示为现有设备生长的不同炉次生长的碳化硅外延片的掺杂浓度均匀性，其中，横坐标表示不同炉次生长的碳化硅外延片，纵坐标表示不同炉次对应的碳化硅外延片的掺杂浓度均匀性。采用本实用新型的碳化硅外延设备生长的碳化硅外延片的掺杂浓度的均匀性最大值为8.2％，最小值为3.5％，且每片碳化硅掺杂浓度均匀性相差较小；而采用现有设备制备的碳化硅外延片的掺杂浓度的均匀性最大值为12.8％，最小值为3.5％，且碳化硅掺杂浓度均匀性波动较大，这说明使用本实用新型的碳化硅外延设备生长的碳化硅外延片的掺杂浓度的均匀性较好，质量更稳定。

综上所述，本实用新型提供一种碳化硅外延生长设备及其气源输送装置，所述气源输送装置利用隔离石英板将气源输送通道的入口和出口设计成喇叭口状，且气源输送通道的入口对应于气源入口设置，生长源气体通过通道入口进入既定的气体通道，经通道出口进入气源混合区，通道出口设计成喇叭口，气流由狭窄空间进入宽阔的空间，气流更加平稳，在垂直水平气流方向上更有利于混合，增加气源混合区，使气源进入反应室之前混合更加均匀，提高碳化硅外延层各点的厚度均匀性及掺杂浓度的均匀性。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型，本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅外延生长设备的气源输送装置，所述气源输送装置设置在所述碳化硅外延生长设备的反应室的一侧，其特征在于，所述气源输送装置包括：

多个气源入口；

气源输送通道，内部至少设有一个锥形结构体，所述锥形结构体将所述气源输送通道的内腔分隔成多个相互独立的通道；及

气源混合区，设置在所述气源输送通道的出口端；

所述气源入口的数量与所述气源输送通道的内部的通道数量一致。

2.根据权利要求1所述的气源输送装置，其特征在于，所述锥形结构体包括：

第一锥部，位于所述气源输送通道的入口端；

第二锥部，位于所述气源输送通道的出口端；及

中间部，位于所述第一锥部与所述第二锥部之间。

3.根据权利要求1或2所述的气源输送装置，其特征在于，所述气源输送通道的内部设有第一锥形结构体及与所述第一锥形结构体并排设置的第二锥形结构体。

4.根据权利要求3所述的气源输送装置，其特征在于，所述第一锥形结构体及所述第二锥形结构体将所述气源输送通道的内腔分为互相独立的第一通道、第二通道及第三通道。

5.根据权利要求4所述的气源输送装置，其特征在于，所述气源输送装置包括：

第一气源入口，对应于所述第一通道的入口；

第二气源入口，对应于所述第二通道的入口；及

第三气源入口，对应于所述第三通道的入口。

6.根据权利要求5所述的气源输送装置，其特征在于，所述第一气源入口的进气量、所述第二气源入口的进气量及所述第三气源入口的进气量分别由气体质量流量控制器控制。

7.根据权利要求3所述的气源输送装置，其特征在于，所述气源输送通道的两侧壁上还设有隔离石英板，所述隔离石英板与所述气源输送通道的侧壁倾斜安装。

8.一种碳化硅外延生长设备，其特征在于，包括：

反应室；

气源输送装置，设置在所述反应室的一侧；及

排气装置，设置在所述反应室的另一侧；

其中，所述气源输送装置包括：

多个气源入口；

气源输送通道，内部至少设有一个锥形结构体，所述锥形结构体将所述气源输送通道的内腔分隔成多个相互独立的通道；及

气源混合区，设置在所述气源输送通道的出口端；

所述气源入口的数量与所述气源输送通道的内部的通道数量一致。

9.根据权利要求8所述的碳化硅外延生长设备，其特征在于，所述反应室与所述气源混合区相连的侧壁上设有多个与所述气源混合区相连通的进气口。

10.根据权利要求9所述的碳化硅外延生长设备，其特征在于，所述进气口沿所述反应室侧壁的宽度方向均匀设置。

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