專利名稱:一種碳化硅外延生長裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種碳化硅外延生長裝置,包括筒體和加熱線圈,筒體的內(nèi)腔為反應(yīng)腔,筒體的一端設(shè)置有進(jìn)氣口、另一端設(shè)置有排氣口,筒體側(cè)壁自外至內(nèi)依此為石英壁、石墨軟氈層和石墨支撐層,石墨支撐層上設(shè)置有襯底基座,石墨軟氈層中設(shè)置有與外部氣源連接的補(bǔ)氣通道和氣浮供氣通道,其中,氣浮供氣通道的出氣端設(shè)置在襯底基座上,碳化硅襯底氣浮于襯底基座上,補(bǔ)氣通道的出氣端位于碳化硅襯底的上方。本實(shí)用新型通過在反應(yīng)腔上方引入補(bǔ)氣管,氣流從上往下進(jìn)入反應(yīng)腔與反應(yīng)腔入口的氣流混合,在碳化硅襯底上經(jīng)過反應(yīng)形成碳化硅外延薄膜,再流出反應(yīng)腔,達(dá)到快速生長高度均勻的碳化硅外延片的目的。
【專利說明】
一種碳化硅外延生長裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體材料制備技術(shù)領(lǐng)域,特別是一種碳化硅外延生長裝置,以及使用這種裝置的碳化硅外延生長方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)是繼第一代半導(dǎo)體材料硅、鍺和第二帶半導(dǎo)體材料砷化鎵、磷化銦后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料,碳化硅材料的寬禁帶是硅和砷化鎵的2?3倍,使得半導(dǎo)體器件能在相當(dāng)高的溫度下(500°C以上)工作以及具有發(fā)射藍(lán)光的能力;高擊穿電場比硅和砷化鎵均要高一個數(shù)量級,決定了半導(dǎo)體器件的高壓、大功率性能;高的飽和電子漂移速度和低介電常數(shù)決定了器件的高頻、高速工作性能;導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,砷化鎵的10倍,意味著其導(dǎo)熱性能好,可以大大提高電路的集成度,減少冷卻散熱系統(tǒng),從而大大減少整機(jī)的體積。因此可以預(yù)見不久的將來,隨著碳化硅材料和器件工藝的不斷完善,部分Si領(lǐng)域被碳化硅來替代指日可待。由于碳化硅具有寬帶隙、高臨界擊穿場強(qiáng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和飄逸速率等特點(diǎn),特別適合大功率、高電壓電力電子器件,成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003]目前生長SiC外延材料的主要方法為化學(xué)氣相傳輸法(CVD)。該方法可以生長高純度、大尺寸的SiC外延片,并可有效地減少SiC外延材料中的各種缺陷。要獲得高質(zhì)量的外延晶體必須精確控制多種晶體生長參數(shù),如:沉積溫度、沉積室壓力、腔體真空、各反應(yīng)氣體分壓(配比)等。
[0004]化學(xué)氣相沉積原理:化學(xué)氣相沉積生長碳化硅(SiC)晶體密閉反應(yīng)器,外部加熱使反應(yīng)室保持所需要反應(yīng)溫度,反應(yīng)氣體SiH4由H2SAr載帶,與C2H4混合,再一起通入反應(yīng)器,反應(yīng)氣體高溫下分解生成碳化硅并附著襯底材料表面,并沿著材料表面不斷生長,反應(yīng)產(chǎn)生殘余氣體廢棄處理裝置處理排放掉。
[0005]其主要包括如下反應(yīng):2SiH4+C2H4=2SiC+6H2。
[0006]高電壓的碳化硅電力電子器件需要的外延層厚度達(dá)幾十微米到上百微米,一般電壓1kV的器件需要的外延厚度大約lOOum,而目前成熟的碳化娃外延生長速率只有5?7um/h左右,如果在這樣的生長速率下生長10um的厚碳化硅外延材料,需要14-20個小時,顯然大大增加制造成本,并且隨著外延生長周期的延長,會在反應(yīng)腔壁沉積更多的污染物,進(jìn)而污染外延片,所以要生長高質(zhì)量、厚的碳化硅外延片必須提高外延的生長速率。
[0007]生長速率慢的可能原因是反應(yīng)源氣體的分解率低和反應(yīng)氣體中易形成的硅聚集物,如何提高生長速率即演變?yōu)樘岣叻磻?yīng)源的分解率或抑制硅聚集物的產(chǎn)生,現(xiàn)有技術(shù)中,通過在反應(yīng)氣流中引入Cl化物,利用Cl元素的刻蝕作用來抑制硅聚集物的形成,以此來提高生長速率,但是Cl化物的引入,要增加額外的氣體管道等設(shè)備,并且含有Cl元素的尾氣對環(huán)境污染極大。
[0008]另外,生長過程中會存在“耗盡”現(xiàn)象,是指反應(yīng)氣體平行于襯底流動時,在氣流的上方濃度較大,氣流的下方濃度較小,于是在襯底表面靠近氣流上方部位的外延層會更厚而在靠近氣流下方的部位的外延層會更薄。
[0009]高電壓器件所需的外延厚度越厚,由“耗盡”現(xiàn)象所引起的厚度不均勻性就越嚴(yán)重,所以在實(shí)現(xiàn)快速外延生長的同時,也需解決不均勻性問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷,本實(shí)用新型提供了一種改進(jìn)的碳化硅外延生長裝置;本實(shí)用新型還提供了一種使用上述裝置的碳化硅外延生長方法。
[0011 ]為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0012]—種碳化硅外延生長裝置,該裝置包括一水平設(shè)置的筒體和設(shè)置在該筒體外側(cè)的加熱線圈,筒體的內(nèi)腔為反應(yīng)腔,該筒體的一端設(shè)置有進(jìn)氣口、另一端設(shè)置有排氣口,筒體側(cè)壁自外至內(nèi)依此為石英壁、石墨軟氈層和石墨支撐層,所述石墨支撐層上設(shè)置有襯底基座,所述石墨軟氈層中設(shè)置有與外部氣源連接的補(bǔ)氣通道和氣浮供氣通道,其中,所述氣浮供氣通道的出氣端設(shè)置在所述襯底基座上,碳化硅襯底氣浮于襯底基座上,所述補(bǔ)氣通道的出氣端位于碳化硅襯底的上方。
[0013]進(jìn)一步,所述補(bǔ)氣通道和所述氣浮供氣通道的壁由石墨制成,二者的內(nèi)徑為0.3?
0.7cm0
[0014]進(jìn)一步,所述石墨支撐層的內(nèi)表面、所述補(bǔ)氣通道的內(nèi)壁和氣浮供氣通道的內(nèi)壁上鍍有鍍層;所述鍍層為碳化硅或碳化鉭鍍層,厚度為50?70um。
[0015]進(jìn)一步,所述補(bǔ)氣通道和所述氣浮供氣通道的進(jìn)氣端安裝有氣體流量計。
[0016]進(jìn)一步,所述碳化硅襯底的中部對應(yīng)在所述氣浮供氣通道的出氣端,該出氣端與襯底基座的上表面平齊;所述補(bǔ)氣通道的出氣端正對該碳化硅襯底中部,且其該出氣端距碳化娃襯底上表面4?11 cm。
[0017]進(jìn)一步,所述筒體的內(nèi)徑為15?32cm,所述石英壁厚度為5?10mm,所述石墨支撐層厚度為1.5?2.5cm,所述反應(yīng)腔為長方體,所述襯底基座由石墨制成。
[0018]—種使用上述裝置的碳化硅外延生長方法,該方法包括下述步驟:
[0019]a.裝料:常壓下,在反應(yīng)腔中的襯底基座上放上碳化硅襯底;
[0020]b.加熱升溫:,對所述反應(yīng)腔抽真空,之后向反應(yīng)腔中充入氫氣至2000?50000帕,并將反應(yīng)腔加熱至900°C?1600°C ;
[0021 ] c.原位蝕刻:向反應(yīng)腔中通入氫氣和/或氯化氫,及碳源氣體對所述碳化硅襯底進(jìn)行原位蝕刻,5?15分鐘后用氫氣吹拂5?10分鐘;
[0022]d.沉淀生長:將反應(yīng)腔加熱至1600?1700°C后通入硅源、碳源和摻雜劑作為反應(yīng)氣體源進(jìn)行碳化硅外延生長。
[0023]進(jìn)一步,所述碳源為CH4X2H4和C3H8中一種或幾種的任意組合。
[0024]進(jìn)一步,所述硅源為SiH4。
[0025]進(jìn)一步,所述摻雜劑為三甲基鋁或氮?dú)狻?br>[0026]本實(shí)用新型通過在反應(yīng)腔上方引入補(bǔ)氣管,通過補(bǔ)氣管,氣流從上往下進(jìn)入反應(yīng)腔與反應(yīng)腔入口的氣流混合,在碳化硅襯底上經(jīng)過反應(yīng)形成碳化硅外延薄膜,再流出反應(yīng)腔,達(dá)到快速生長高度均勻的碳化硅外延片的目的。在反應(yīng)腔下方引入氣浮管,通過氣浮管進(jìn)氣使晶片懸浮,提高外延片的厚度和摻雜濃度不均與性。
【附圖說明】
[0027]圖1為碳化硅外延生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖,對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說明。
[0029]如圖1所示本實(shí)用新型的一種碳化硅外延生長裝置,包括筒體11和加熱線圈I,筒體11為圓柱形,其內(nèi)部中空形成反應(yīng)腔9,筒體11的內(nèi)徑為15?32cm,筒體11的一端設(shè)置有進(jìn)氣口 8、另一端設(shè)置有排氣口 5,在進(jìn)氣口 8和排氣孔5附近分別設(shè)置有進(jìn)氣裝置和出氣裝置,筒體11側(cè)壁自外至內(nèi)依此為石英壁2、石墨軟氈層3和石墨支撐層4,石英壁2厚度為4_,石墨支撐層4厚度為1.5cm,石墨支撐層4內(nèi)壁鍍有鍍層,鍍層為碳化娃,厚度為70um,石墨支撐層4上設(shè)置有襯底基座6,石墨軟氈層10中設(shè)置有與外部氣源連接的補(bǔ)氣通道10和氣浮供氣通道7,其中,氣浮供氣通道7的出氣端設(shè)置在襯底基座6上,碳化硅襯底氣浮于襯底基座6上,補(bǔ)氣通道10的出氣端位于碳化硅襯底的上方。碳化硅襯底的中部對應(yīng)在氣浮供氣通道7的出氣端,該出氣端與襯底基座6的上表面平齊;補(bǔ)氣通道1的出氣端正對該碳化娃襯底中部,且其該出氣端距碳化硅襯底上表面4?11cm。補(bǔ)氣通道10和氣浮供氣通道7的壁由石墨制成,在壁的內(nèi)側(cè)鍍有鍍層,該鍍層為碳化硅或碳化鉭鍍層,厚度為50?70um,補(bǔ)氣通道10和氣浮供氣通道7的內(nèi)徑為0.3?0.7cm。在補(bǔ)氣通道10和氣浮供氣通道7的進(jìn)氣端安裝有氣體流量計。
[0030]當(dāng)然,也可以將反應(yīng)腔9加工成長方體。
[0031 ]碳化硅外延生長方法步驟如下:
[0032]a.裝料:常壓下于清理后的反應(yīng)腔9中放入經(jīng)超聲波清洗設(shè)備清洗的碳化硅襯底,并通入氣浮氣體氫氣流量為20sccmo
[0033]b.加熱升溫:將反應(yīng)腔9采用機(jī)械栗串聯(lián)擴(kuò)散栗抽真空后,于真空的反應(yīng)腔9中充入氫氣至2000帕,升溫至900°C ;保持5分鐘;
[0034]c.原位蝕刻:向反應(yīng)腔9通入氫氣和CH4氣體對碳化硅襯底進(jìn)行原位蝕刻10分鐘后用氫氣吹拂5分鐘;H2流量為10SLM;
[0035]d.沉淀生長:將反應(yīng)腔9加熱至1650°C后通入經(jīng)氣體純化裝置干燥、過濾、凈化的氣體SiH4(流量為20SCCM)、C2H4(流量為10SCCM)和摻雜劑三甲基鋁(0.004SCCM)進(jìn)行外延生長,氣態(tài)生成物H2從襯底材料表面脫離移開,不斷地通入反應(yīng)氣體,SiC膜層材料不斷生長,生長到目標(biāo)厚度即切斷反應(yīng)源和電源開始冷卻。
[0036]生長膜厚為15um的碳化硅外延片,生長速率達(dá)到27um/h,所用時間為大約33分鐘。
[0037]在外延片對應(yīng)氣流方向位置選擇10個點(diǎn),測量了相應(yīng)的厚度值,均勻性為0.94%。
[0038]上述示例只是用于說明本實(shí)用新型,本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不限于這些示例,本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的符合本實(shí)用新型思想的各種【具體實(shí)施方式】都在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳化硅外延生長裝置,其特征在于,該裝置包括一水平設(shè)置的筒體和設(shè)置在該筒體外側(cè)的加熱線圈,筒體的內(nèi)腔為反應(yīng)腔,該筒體的一端設(shè)置有進(jìn)氣口、另一端設(shè)置有排氣口,筒體側(cè)壁自外至內(nèi)依此為石英壁、石墨軟氈層和石墨支撐層,所述石墨支撐層上設(shè)置有襯底基座,所述石墨軟氈層中設(shè)置有與外部氣源連接的補(bǔ)氣通道和氣浮供氣通道,其中,所述氣浮供氣通道的出氣端設(shè)置在所述襯底基座上,碳化硅襯底氣浮于襯底基座上,所述補(bǔ)氣通道的出氣端位于碳化硅襯底的上方。2.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述補(bǔ)氣通道和所述氣浮供氣通道的壁由石墨制成,二者的內(nèi)徑為0.3?0.7cm。3.如權(quán)利要求2所述的裝置,其特征在于,所述石墨支撐層的內(nèi)表面、所述補(bǔ)氣通道的內(nèi)壁和氣浮供氣通道的內(nèi)壁上鍍有鍍層;所述鍍層為碳化硅或碳化鉭鍍層,厚度為50?70umo4.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述補(bǔ)氣通道和所述氣浮供氣通道的進(jìn)氣端安裝有氣體流量計。5.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述碳化硅襯底的中部對應(yīng)在所述氣浮供氣通道的出氣端,該出氣端與襯底基座的上表面平齊;所述補(bǔ)氣通道的出氣端正對該碳化硅襯底中部,且其該出氣端距碳化娃襯底上表面4?11 cm。6.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,所述筒體的內(nèi)徑為15?32cm,所述石英壁厚度為5?10mm,所述石墨支撐層厚度為1.5?2.5cm,所述反應(yīng)腔為長方體,所述襯底基座由石墨制成。
【文檔編號】C30B25/20GK205711042SQ201620357583
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】趙紅偉
【申請人】北京世紀(jì)金光半導(dǎo)體有限公司