一種碳化硅外延生長裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體材料制備技術領域，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】
[0002]碳化硅(SiC)是繼第一代半導體材料硅、鍺和第二帶半導體材料砷化鎵、磷化銦后發展起來的第三代半導體材料，碳化硅材料的寬禁帶是硅和砷化鎵的2?3倍，使得半導體器件能在相當高的溫度下(500°C以上)工作以及具有發射藍光的能力；高擊穿電場比硅和砷化鎵均要高一個數量級，決定了半導體器件的高壓、大功率性能;高的飽和電子漂移速度和低介電常數決定了器件的高頻、高速工作性能;導熱率是硅的3.3倍，砷化鎵的10倍，意味著其導熱性能好，可以大大提高電路的集成度，減少冷卻散熱系統，從而大大減少整機的體積。因此可以預見不久的將來，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、高的熱導率、高的電子飽和飄逸速率等特點，特別適合大功率、高電壓電力電子器件，成為當前電力電子領域的研究熱點。
[0003]目前生長SiC外延材料的主要方法為化學氣相傳輸法(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。要獲得高質量的外延晶體必須精確控制多種晶體生長參數，如:沉積溫度、沉積室壓力、腔體真空、各反應氣體分壓(配比)等。
[0004]化學氣相沉積原理:化學氣相沉積生長碳化硅(SiC)晶體密閉反應器，外部加熱使反應室保持所需要反應溫度，反應氣體SiH4由H2SAr載帶，與C2H4混合，再一起通入反應器，反應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，反應產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: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，會在反應腔壁沉積更多的污染物，進而污染外延片，所以要生長高質量、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源氣體的分解率低和反應氣體中易形成的硅聚集物，如何提高生長速率即演變為提高反應源的分解率或抑制硅聚集物的產生，現有技術中，通過在反應氣流中引入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備，并且含有Cl元素的尾氣對環境污染極大。
[0008]另外，生長過程中會存在“耗盡”現象，是指反應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”現象所引起的厚度不均勻性就越嚴重，所以在實現快速外延生長的同時，也需解決不均勻性問題。
【發明內容】
[0010]針對現有技術中存在的缺陷，本發明提供了一種改進的碳化硅外延生長裝置;本發明還提供了一種使用上述裝置的碳化硅外延生長方法。
[0011]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:
一種碳化硅外延生長裝置，該裝置包括一水平設置的筒體和設置在該筒體外側的加熱線圈，筒體的內腔為反應腔，該筒體的一端設置有進氣口、另一端設置有排氣口，筒體側壁自外至內依此為石英壁、石墨軟氈層和石墨支撐層，所述石墨支撐層上設置有襯底基座，所述石墨軟氈層中設置有與外部氣源連接的補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，所述補氣通道的出氣端位于碳化娃襯底的上方。
[0012]進一步，所述補氣通道和所述氣浮供氣通道的壁由石墨制成，二者的內徑為0.3?
0.7cm0
[0013]進一步，所述石墨支撐層的內表面、所述補氣通道的內壁和氣浮供氣通道的內壁上鍍有鍍層;所述鍍層為碳化硅或碳化鉭鍍層，厚度為50?70um。
[0014]進一步，所述補氣通道和所述氣浮供氣通道的進氣端安裝有氣體流量計。
[0015]進一步，所述碳化硅襯底的中部對應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。
[0016]進一步，所述筒體的內徑為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，所述反應腔為長方體，所述襯底基座由石墨制成。
[0017]—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:
a.裝料:常壓下，在反應腔中的襯底基座上放上碳化硅襯底；
b.加熱升溫:，對所述反應腔抽真空，之后向反應腔中充入氫氣至2000?50000帕，并將反應腔加熱至900°C?1600°C ；
c.原位蝕刻:向反應腔中通入氫氣和/或氯化氫，及碳源氣體對所述碳化硅襯底進行原位蝕刻，5?15分鐘后用氫氣吹拂5?10分鐘；
d.沉淀生長:將反應腔加熱至1600?1700°C后通入硅源、碳源和摻雜劑作為反應氣體源進行碳化硅外延生長。
[0018]進一步，所述碳源為CH4X2H4和C3H8中一種或幾種的任意組合。
[0019]進一步，所述硅源為SiH4。
[0020]進一步，所述摻雜劑為三甲基鋁或氮氣。
[0021]本發明通過在反應腔上方引入補氣管，通過補氣管，氣流從上往下進入反應腔與反應腔入口的氣流混合，在碳化硅襯底上經過反應形成碳化硅外延薄膜，再流出反應腔，達到快速生長高度均勻的碳化硅外延片的目的。在反應腔下方引入氣浮管，通過氣浮管進氣使晶片懸浮，提高外延片的厚度和摻雜濃度不均與性。
【附圖說明】
[0022]圖1為碳化硅外延生長裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】作詳細說明。
[0024]如圖1所示本發明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，其內部中空形成反應腔9，筒體11的內徑為15?32cm，筒體11的一端設置有進氣口 8、另一端設置有排氣口 5，在進氣口 8和排氣孔5附近分別設置有進氣裝置和出氣裝置，筒體11側壁自外至內依此為石英壁2、石墨軟氈層3和石墨支撐層4，石英壁2厚度為4mm，石墨支撐層4厚度為1.5cm，石墨支撐層4內壁鍍有鍍層，鍍層為碳化硅，厚度為70um，石墨支撐層4上設置有襯底基座6，石墨軟氈層10中設置有與外部氣源連接的補氣通道10和氣浮供氣通道7，其中，氣浮供氣通道7的出氣端設置在襯底基座6上，碳化硅襯底氣浮于襯底基座6上，補氣通道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;補氣通道10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。補氣通道10和氣浮供氣通道7的壁由石墨制成，在壁的內側鍍有鍍層，該鍍層為碳化硅或碳化鉭鍍層，厚度為50?70um，補氣通道10和氣浮供氣通道7的內徑為0.3?0.7cm。在補氣通道10和氣浮供氣通道7的進氣端安裝有氣體流量計。
[0025]當然，也可以將反應腔9加工成長方體。
[0026]碳化硅外延生長方法步驟如下:
a.裝料:常壓下于清理后的反應腔9中放入經超聲波清洗設備清洗的碳化硅襯底，并通入氣浮氣體氫氣流量為20sccmo
[0027]b.加熱升溫:將反應腔9采用機械栗串聯擴散栗抽真空后，于真空的反應腔9中充入氫氣至2000帕，升溫至900°C ;保持5分鐘；
c.原位蝕刻:向反應腔9通入氫氣和CH4氣體對碳化硅襯底進行原位蝕刻10分鐘后用氫氣吹拂5分鐘;H2流量為10SLM ；
d.沉淀生長:將反應腔9加熱至1650°C后通入經氣體純化裝置干燥、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)進行外延生長，氣態生成物H2從襯底材料表面脫離移開，不斷地通入反應氣體，SiC膜層材料不斷生長，生長到目標厚度即切斷反應源和電源開始冷卻。
[0028]生長膜厚為15um的碳化硅外延片，生長速率達到27um/h，所用時間為大約33分鐘。
[0029]在外延片對應氣流方向位置選擇10個點，測量了相應的厚度值，均勻性為0.94%。
[0030]上述示例只是用于說明本發明，本發明的實施方式并不限于這些示例，本領域技術人員所做出的符合本發明思想的各種【具體實施方式】都在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
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置的筒體和設置在該筒體外側的加熱線圈，筒體的內腔為反應腔，該筒體的一端設置有進氣口、另一端設置有排氣口，筒體側壁自外至內依此為石英壁、石墨軟氈層和石墨支撐層，所述石墨支撐層上設置有襯底基座，所述石墨軟氈層中設置有與外部氣源連接的補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，所述補氣通道的出氣端位于碳化硅襯底的上方。2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述補氣通道和所述氣浮供氣通道的壁由石墨制成，二者的內徑為0.3?0.7cm。3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述石墨支撐層的內表面、所述補氣通道的內壁和氣浮供氣通道的內壁上鍍有鍍層；所述鍍層為碳化硅或碳化鉭鍍層，厚度為50?70umo4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述補氣通道和所述氣浮供氣通道的進氣端安裝有氣體流量計。5.如權利要求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.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述筒體的內徑為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，所述反應腔為長方體，所述襯底基座由石墨制成。7.—種使用上述權利要求1所述裝置的碳化硅外延生長方法，其特征在于，該方法包括下述步驟: a.裝料:常壓下，在反應腔中的襯底基座上放上碳化硅襯底； b.加熱升溫:，對所述反應腔抽真空，之后向反應腔中充入氫氣至2000?50000帕，并將反應腔加熱至900°C?1600°C ； c.原位蝕刻:向反應腔中通入氫氣和/或氯化氫，及碳源氣體對所述碳化硅襯底進行原位蝕刻，5?15分鐘后用氫氣吹拂5?10分鐘； d.沉淀生長:將反應腔加熱至1600?1700°C后通入硅源、碳源和摻雜劑作為反應氣體源進行碳化硅外延生長。8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳源為CH4X2H4和C3H8中一種或幾種的任意組合。9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述硅源為SiH4。10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述摻雜劑為三甲基鋁或氮氣。
【專利摘要】本發明公開了一種碳化硅外延生長裝置，包括筒體和加熱線圈，筒體的內腔為反應腔，筒體的一端設置有進氣口、另一端設置有排氣口，筒體側壁自外至內依此為石英壁、石墨軟氈層和石墨支撐層，石墨支撐層上設置有襯底基座，石墨軟氈層中設置有與外部氣源連接的補氣通道和氣浮供氣通道，其中，氣浮供氣通道的出氣端設置在襯底基座上，碳化硅襯底氣浮于襯底基座上，補氣通道的出氣端位于碳化硅襯底的上方。本發明通過在反應腔上方引入補氣管，氣流從上往下進入反應腔與反應腔入口的氣流混合，在碳化硅襯底上經過反應形成碳化硅外延薄膜，再流出反應腔，達到快速生長高度均勻的碳化硅外延片的目的。本發明還公開了一種使用上述裝置的碳化硅外延生長方法。
【IPC分類】C30B25/20, C30B25/14, C30B29/36
【公開號】CN105714380
【申請號】CN201610263330
【發明人】趙紅偉
【申請人】北京世紀金光半導體有限公司