CN101591803A

CN101591803A - 一种高温碳化硅双室热壁式外延生长装置

Info

Publication number: CN101591803A
Application number: CNA2008101132962A
Authority: CN
Inventors: 孙国胜; 王雷; 赵万顺; 曾一平; 叶志仙; 刘兴昉
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: CN101591803B

Abstract

一种高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，包含：一密封操作箱为一矩形箱体，在密封操作箱的一背面开有两个圆孔，顶部有一个出气口，底部有一个进气口，正面有两个用于密封安装橡胶手套的操作口；两个三通过渡连接件的端口为法兰端口，该两个三通过渡连接件的一端分别与该密封操作箱上的两个圆孔连接；两个石英管的一端分别与两个三通过渡连接件的另一端水平连接；两个进气法兰盘分别与两个石英管的另一端连接；两个热壁石墨腔室分别位于两个石英管内部的中央处；两个加热器分别套置于两个石英管外部的中央处，与两个热壁石墨腔室对应；一工做台用于放置上述各部件；一真空样品交接室的一端与密封操作箱的一侧壁连接，其下端有一个排气孔，该排气孔与外部的抽真空系统连接；一进样门位于真空样品交接室与密封操作箱连接处内侧。

Description

一种高温碳化硅双室热壁式外延生长装置

技术领域

本发明涉及一种高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，特别涉及一种基于铜螺旋管射频加热的双室(n型和p型生长室)水平平行式高温碳化硅半导体材料外延生长装置。属于半导体技术领域。

背景技术

近年来由于科学技术的发展及军事、航天、雷达通讯、石油钻探、汽车工业、工业过程控制等对耐高温、大功率工作和抗辐照微电子器件的大量需求，以碳化硅(SiC)为代表的宽带隙半导体材料及其器件研究为人们所关注。SiC是继硅(Si)及砷化镓(GaAs)传统半导体之后出现的第三代半导体，具有禁带宽(Si的3倍)、热导率高(Si的3.3倍)、击穿场强高(Si的10倍)、饱和电子漂移速率高(Si的2.5倍)、工作温度高(400-600℃)、键合能高以及极好的物理及化学稳定性等许多优良特性，在高温、大功率、抗辐照的器件应用领域有着得天独厚的潜力和优势。

正是因为碳化硅所具备的优良特性和碳化硅器件所展示的巨大应用潜力及在国防应用上具有的特殊地位，国际上非常注重碳化硅材料与器件的研究开发，美国政府将SiC器件视为战略核心元器件，并投巨资从事SiC的研发工作。美国在97年制订的“国防与科学计划”中规定了宽带隙半导体的发展目标，美国的国家航天局(NASA)、国防部的先进研究计划署(DARPA)、电力公司EPRI、西屋公司(Westinghouse)、Cree公司、NorthropGrumman公司以及II-VI公司等相继开展了SiC材料的开发、生产与器件的研制工作。日本政府也成立了一个新能源及工业技术发展组织，制定了一系列关于SiC材料与器件的国家计划，如“国家硬电子计划”、“NEDO新阳光计划”、“燃烧控制系统能量保存的研发”以及教育部的“宽带隙半导体电子特性控制和功率电子应用”等项目。欧洲国家如瑞典、德国、法国、英国等均设立了有关SiC宽带隙半导体研究开发计划。

碳化硅的研究工作包括从碳化硅(SiC)单晶的制备、外延材料(包括同质外延与异质外延)的生长、特性表征，到碳化硅各种高温、高频、大功率器件的研发。其中碳化硅外延生长，是实现碳化硅器件的关键技术和瓶颈，许多重要器件所要求的结构材料必须由外延生长来完成。SiC器件的制备已完全取决于SiC外延结构材料的制作水平，要制备碳化硅器件，需要高质量的器件结构外延材料，如良好的表面形貌、厚度的有效控制、掺杂的有效控制、良好的厚度及掺杂均匀性等。在有效的几种外延生长技术中，化学气相沉积(CVD)技术已成为优质碳化硅(SiC)器件结构材料的关键生长技术，并使得碳化硅器件的研制工作取得突破性进展。所谓CVD技术，就是将化合物气体如硅烷(SiH₄)、乙烯(C2H₄)和氢气(H₂)等反应气体通入外延生长室内，在热衬底表面上发生化学反应，并在衬底上淀积所希望的薄膜材料，如碳化硅(SiC)外延材料。

对于SiC同质外延来说，首先需要在1500-1600℃甚至更高的温度下进行，生长温度高；其次，SiC有很多种晶型，在外延生长中必须给予控制，主要取决于生长技术。优质的没有其它多型体夹杂的SiC外延层材料的获得和外延层的有效可控制的原位掺杂的实现，对生长系统及生长和掺杂的工艺技术提出了很高的要求，尤其是对于背景杂质浓度的有效控制，是改进掺杂特性的关键。

针对这些考虑，建立合适的高温大功率S iC外延材料生长装置，可为各种SiC器件的制作提供可靠的标准SiC外延结构材料，对于推动我国高温微电子产业的快速发展，以及在解决国家所急需的高温大功率半导体材料和器件、实现集成创新等方面具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了避免SiC外延生长时n型和p型掺杂剂的交叉污染而设计的一种基于铜螺旋管射频加热的双室热壁水平式SiC外延材料生长装置。双室是：一是n型SiC外延生长室，二是p型SiC外延生长室，利用该生长装置能够实现SiC的未掺杂、n-型掺杂和p-型掺杂的SiC外延材料生长，以满足各种高温、大功率、高频SiC器件的制作。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供了一种高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其特征在于，其包含有：

一密封操作箱，该密封操作箱为一矩形箱体，在密封操作箱的一背面开有两个圆孔，该密封操作箱的顶部有一个出气口，底部有一个进气口，正面有两个用于密封安装橡胶手套的操作口，该密封操作箱用于隔离大气，进行生长衬底片和外延样品的交接与传递；

两个三通过渡连接件，该两个三通过渡连接件的端口为法兰端口，该两个三通过渡连接件的一端分别与该密封操作箱上的两个圆孔连接；

两个石英管，该两个石英管的一端分别与两个三通过渡连接件的另一端水平连接；

两个进气法兰盘，分别与两个石英管的另一端连接；

两个热壁石墨腔室，分别位于两个石英管内部的中央处；

两个加热器，分别套置于两个石英管外部的中央处，与两个热壁石墨腔室对应；

一工做台，用于放置上述各部件；

一真空样品交接室，该真空样品交接室的一端与密封操作箱的一侧壁连接，该真空样品交接室的下端有一个排气孔，该排气孔与外部的抽真空系统连接；

一进样门，位于真空样品交接室与密封操作箱连接处内侧。

其中所述的两个三通过渡连接件的材料为不锈钢。

其中所述的两个三通过渡连接件的正下方有一排气口与外部抽真空系统连接。

其中所述的进样门上有一个充气阀门。

其中所述的两个进气法兰盘的盘面上各有一测温用玻璃窗口、一反应气体入口和一动力气入口。

其中所述的两个热壁石墨腔室，分别各有一石墨感应加热体，两石英圆盖，该两石英圆盖分别位于石墨感应加热体的左右两端，用石墨螺钉连接。

其中所述的两个热壁石墨腔室的石墨感应加热体，分别各有一圆筒状石墨毡保温材料、一高纯石墨体、一长方形样品托盘；圆筒状石墨毡保温材料位于高纯石墨体的外侧，该高纯石墨体中央有一矩形腔道，矩形腔道的底面上有一矩形凹槽，该矩形凹槽的表面有两道小凹槽，该长方形样品托盘放置于高纯石墨体中央矩形腔道底面上的矩形凹槽内，所述长方形样品托盘上有一个圆形衬底定位槽，所述高纯石墨体上有一圆孔、四个扇形通孔和一测温用圆形凹槽。

其中所述的两个热壁石墨腔室两端的两石英圆盖，其上中央位置各有一矩形通孔，与高纯石墨体的中央矩形腔道相对应，一石英圆盖上有一个圆形通孔，与高纯石墨体测温用圆形凹槽对应，另一个圆形通孔，与高纯石墨体上的圆孔相对应。

实现本发明所采取的技术措施有以下几个方面：一是采用n型和p型双生长室，这是消除杂质记忆效应，改善掺杂效率及其分布的有效方法；二是采用圆筒形高纯石墨腔体，提高加热效率，降低能耗，更为重要的是石墨腔体上有四个扇形通孔，对于改善加热效率和温度分布更为有效；三是采用密封操作箱，使生长室隔离大气，有效减小SiC外延材料的背景杂质浓度，尤其是N施主杂质浓度；四是采用外接式连接动力气石英气路，使安、拆装更为方便、简捷。

本发明是为急需的高温大功率SiC器件用外延材料生长而专门设计的一种高温碳化硅双室热壁水平式外延生长装置，该装置属于气相化学沉积系统，也适用于其它半导体外延材料的生长，如Si基SiC、蓝宝石基SiC、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、硅(Si)等，也可以作为高温退火装置使用。

本发明的特点是双生长室、易于实现高温及其分布均匀性控制、稳定性好。

附图说明

为使能详细说明本发明的构造及特点，以下结合较佳实施例并配合附图说明如下，其中：

图1是本发明一较佳实施例的系统组装配置侧视示意图；

图2是本发明实施例的系统组装配置俯视示意图；

图3是密封手操箱的结构示意图；

图4是密封操作箱和石英管反应生长室三通过渡件的结构与连接方式示意图；

图5是进气法兰盘结构及其与SiC外延生长用石英管的连接方式示意图。

图6是进气法兰盘与动力气路石英管的连接方式示意图；

图7是热壁石墨腔室的侧视示意图；

图8是石墨感应加热体的结构示意图；(a)为出气口侧示意图；(b)为进气口侧示意图；(c)为SiC衬底的石墨托盘结构示意图；

图9是热壁石墨腔室用石英部件结构示意图。(a)为进气口侧石英部件结构正视图；(b)为出气口侧石英部件结构正视图。

具体实施方式

请参阅图1-图9，本发明提供一种高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其包含有：

一密封操作箱1(图1、图2中)，该密封操作箱1为一矩形箱体，在密封操作箱1的一背面开有两个圆孔，该密封操作箱1的顶部有一个出气口11，底部有一个进气口12，正面有两个用于密封安装橡胶手套的操作口13(图3中)，该密封操作箱1用于隔离大气，进行生长衬底片和外延样品的交接与传递；

两个三通过渡连接件2(图1、图2中)，该两个三通过渡连接件2的端口为法兰端口，该两个三通过渡连接件2的一端分别与该密封操作箱1上的两个圆孔连接；所述的两个三通过渡连接件2的材料为不锈钢；所述的两个三通过渡连接件2的正下方有一排气口21(图4中)与外部抽真空系统连接；

两个石英管3(图1、图2中)，该两个石英管3的一端分别与两个三通过渡连接件2的另一端水平连接；

两个进气法兰盘4(图1、图2中)，分别与两个石英管3的另一端连接；所述的两个进气法兰盘4的盘面上各有一测温用玻璃窗口41、一反应气体入口42和一动力气入口43(图5中)；

两个热壁石墨腔室5(图1、图2中)，分别位于两个石英管3内部的中央处；

两个加热器6(图1、图2中)，分别套置于两个石英管3外部的中央处，与两个热壁石墨腔室5对应；所述的两个热壁石墨腔室5，分别各有一石墨感应加热体51，两石英圆盖52和53(图7中)，该两石英圆盖52和53分别位于石墨感应加热体51的左右两端，用石墨螺钉连接；所述的两个热壁石墨腔室5的石墨感应加热体51，分别各有一圆筒状石墨毡保温材料511、一高纯石墨体512、一长方形样品托盘517(图8中)；圆筒状石墨毡保温材料511位于高纯石墨体512的外侧，该高纯石墨体512中央有一矩形腔道510，矩形腔道510的底面上有一矩形凹槽515，该矩形凹槽515的表面有两道小凹槽519，该长方形样品托盘517放置于高纯石墨体512中央矩形腔道510底面上的矩形凹槽515内，所述长方形样品托盘517上有一个圆形衬底定位槽518，所述高纯石墨体512上有一圆孔513、四个扇形通孔516和一测温用圆形凹槽514；所述的两个热壁石墨腔室5两端的两石英圆盖52和53，其上中央位置各有一矩形通孔，与高纯石墨体512的中央矩形腔道510相对应，一石英圆盖上有一个圆形通孔521，与高纯石墨体测温用圆形凹槽514对应，在石英圆盖52上有一个圆形通孔523(图9中)，与高纯石墨体上的圆孔513相对应；

一工做台7，用于放置上述各部件；

一真空样品交接室10，该真空样品交接室10的一端与密封操作箱1的一侧壁连接，该真空样品交接室10的下端有一个排气孔14，该排气孔14与外部的抽真空系统连接；

一进样门17，位于真空样品交接室10与密封操作箱1连接处内侧，所述的进样门17上有一个充气阀门18。

另请参阅图1，是本发明一较佳实施例的系统组装配置侧视示意图，该装置为一真空系统。如图1所示：整套系统装置由密封操作箱1、三通不锈钢过渡连接件2、SiC外延生长用石英管3、进气法兰盘4、热壁石墨腔室5、铜线圈加热器6、工作台7组成。SiC外延生长用石英管3水平放置，三通不锈钢过渡连接件的右端与密封操作箱1密封连接，左端与水平放置的石英管3密封连接，进气法兰盘4与石英管3的左端密封连接，热壁石墨腔室5置于石英管3的内部中央位置，其外径与石英管3的内径相当，铜线圈加热器6置于石英管3的外侧中央位置，其内径大于石英管3的外径。将上述构成的SiC外延生长系统置于工作台7上面。

图2是本发明实施例的系统组装配置俯视示意图，可以看出：由三通不锈钢过渡连接件2、SiC外延生长用石英管3、进气法兰盘4、热壁石墨腔室5和铜线圈加热器6构成了两套水平式SiC外延生长系统，水平平行放置，并分别与密封操作箱1密封连接，组成本发明的一种高温碳化硅双室热壁水平式外延生长装置。

图3是本发明密封手操箱的结构示意图；密封手操箱1的右侧为一不锈钢真空样品交接室10，顶部有一个出气口11，低部有一个进气口12，正面有两个用于密封安装橡胶手套的操作口13。不锈钢真空样品交接室10的下方有一个排气孔14，与抽真空系统连接；不锈钢真空样品交接室10与密封手操箱1采用橡胶“O”圈15密封连接，外部进样门19采用橡胶“O”圈16密封，密封手操箱1内的不锈钢真空样品交接室10的内部进样门17上有一个充气阀18。

图4是密封手操箱和石英管反应生长室三通不锈钢过度件的结构与连接方式示意图。如图4所示，三通不锈钢过渡连接件2通过CF与密封手操箱1连接，其正下方有一排气孔21，与抽真空系统连接。密封操作箱1内与三通不锈钢过渡连接件2对应的密封门22采用橡胶“O”圈23密封，三通不锈钢过渡连接件2通过橡胶“O”圈24与石英管密封连接，在连接件上有水冷槽25，以防不锈钢连接件的温度过高，导致橡胶“O”圈25的失效。

图5是进气法兰盘结构及其与SiC外延生长用石英管的连接方式示意图。进气法兰盘4与石英管3采用橡胶“O”圈密封连接，在连接件上有水冷槽44和45，以保护橡胶圈。在进气法兰盘4的盘面上，有一测温用玻璃窗口，一反应气体进气口42，一动力气体入口43。关于动力气体石英管46与法兰盘4的连接见图6。

图6是进气法兰盘与动力气路石英管的连接方式示意图；进气口法兰盘4与动力气路石英管46的连接是靠橡胶“O”圈431密封的，即在进气法兰盘4上有一个内有螺纹的凹槽434，插入石英管46，用阳螺母432压紧橡胶圈。为了更好的密封，螺母432位于不锈钢管433内，不锈钢管433焊接在进气法兰盘4上，进气口43与不锈钢室433采用CF密封连接在一起。

图7是本发明热壁石墨腔室的侧视示意图。有三部分组成：一石墨毡包裹的石墨感应加热体51，一入气口石英圆盖52，一出气口石英圆盖53。

图8是石墨感应加热体51的结构示意图，其中(a)为出气口侧示意图，(b)为进气口侧示意图，(c)为SiC衬底的石墨托盘结构示意图；如图8(a)所示，圆筒形石墨毡保温材料511位于高纯石墨体512的外侧，用来保温以及防止过多的热辐射。高纯石墨体512中间是一矩形通道510，这是热壁反应生长室。在矩形通道510的两侧，有四个扇形通孔516。在矩形通道510的底面上有一个矩形凹槽515，用来放置SiC衬底的长方形石墨托盘517。在凹槽515的底面上有两个小凹槽519，用来取放石墨托盘517，凹槽515是一个非通透的凹槽，在其顶部有一个小孔513，该小孔是用来连接上述动力气路石英管46的。如图8(b)所示，在进气口侧的石墨体上有一个圆形凹槽514，用来测试石墨体的温度。如图8(c)所示，SiC衬底的石墨托盘517中央位置有一个圆形凹槽518，用来放置SiC衬底晶片。

图9是热壁石墨腔室用石英件的结构示意图。其中(a)为进气口侧石英圆盖结构正视图；(b)为出气口侧石英圆盖结构正视图。如图9(a)所示，石英圆盖52的中央位置有一个矩形通孔522，该通孔与上述石墨体512的中央矩形通孔510相对应，以便反应气体通过矩形通孔522进入石墨体512的中央矩形腔室510内。石英圆盖52上的圆孔521，与石墨体512上的石墨体512上的小凹槽514相对应。石英圆盖52上的圆孔523，位置与石墨体512上的小孔513相对应，上述动力气路石英管46经过石英圆盖52上的圆孔523插入到石墨体512上的小孔513内。如图9(b)所示，石英圆盖53的中央位置有一个矩形通孔531，该通孔与上述石墨体512的中央矩形通孔510相对应，以便使反应后的残余气体通过该孔排出。

本发明的工作过程是：

本发明是一种高温碳化硅双室热壁水平式外延生长装置，其工作过程是SiC材料的外延生长过程，其中包括放置衬底晶片材料、抽真空、升温、SiC外延生长、降温、取样等。

(1)放置衬底晶片材料：将清洗完毕的衬底片首先放置在密封手操箱1一侧的不锈钢真空样品交接室10内，关闭外部进样门19后，通过不锈钢真空样品交接室10下方的排气孔14对不锈钢真空样品交接室10抽真空，之后打开密封操作箱1内的不锈钢真空样品交接室10的内部进样门17上的充气阀18，充入密封操作箱内的惰性气体，压力平衡后，打开内部进样门17，取出衬底片，置于密封手操箱1内备用。密封手操箱1由惰性气体保护，惰性气体的入口是密封手操箱1低部的进气口12，惰性气体的出口是密封手操箱1顶部的出气口11。

打开密封操作箱1内的密封门22，用工具取出石墨托盘517，将衬底片放置在石墨托盘517上的圆形凹槽518内，将已放置衬底片的石墨托盘517送入原来的位置，关闭密封门22。

(2)抽真空：通过三通不锈钢过渡连接件2正下方有一排气孔21，对生长系统抽真空，使其达到预定的真空度。

(3)升温：首先经过进气法兰盘4上的反应气体进气口42通入载气，用铜线圈加热器6的射频感应加热方法，对石英管3内置的高纯石墨体512加热，使温度升至预定生长温度。

(4)SiC外延生长：通过进气法兰盘4上的动力气入口43通入动力气体，通过进气法兰盘4上的反应气体进气口42通入分别含有Si和C原子的反应气体，即可进行生长。

(5)降温：生长完毕后，关闭反应气体和动力气体后，关闭铜线圈加热器6的射频感应加热电源，即自行降温。

(6)取样：从进气口充入惰性气体后，打开密封操作箱1内的密封门22，用工具取出石墨托盘517，将已完成生长的样品取下放置在密封操作箱内，将另一待用的衬底片放置在石墨托盘517上的圆形凹槽518内，将已放置衬底片的石墨托盘517再送入原来的位置，关闭密封门22。

打开内部进样门17，将完成生长的SiC样品放置在不锈钢真空样品交接室10内，关闭内部进样门17。打开外部进样门19，即可取出样品。

Claims

1.一种高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其特征在于，其包含有：

两个进气法兰盘，分别与两个石英管的另一端连接；

两个热壁石墨腔室，分别位于两个石英管内部的中央处；

一工做台，用于放置上述各部件；

一进样门，位于真空样品交接室与密封操作箱连接处内侧。

2.如权利要求1所述的高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其特征在于，其中所述的两个三通过渡连接件的材料为不锈钢。

3.如权利要求1或2所述的高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其特征在于，其中所述的两个三通过渡连接件的正下方有一排气口与外部抽真空系统连接。

4.如权利要求1所述的高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其特征在于，其中所述的进样门上有一个充气阀门。

5.如权利要求1所述的高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其特征在于，其中所述的两个进气法兰盘的盘面上各有一测温用玻璃窗口、一反应气体入口和一动力气入口。

6.如权利要求1所述的高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其特征在于，其中所述的两个热壁石墨腔室，分别各有一石墨感应加热体，两石英圆盖，该两石英圆盖分别位于石墨感应加热体的左右两端，用石墨螺钉连接。

7.如权利要求1或6所述的高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其特征在于，其中所述的两个热壁石墨腔室的石墨感应加热体，分别各有一圆筒状石墨毡保温材料、一高纯石墨体、一长方形样品托盘；圆筒状石墨毡保温材料位于高纯石墨体的外侧，该高纯石墨体中央有一矩形腔道，矩形腔道的底面上有一矩形凹槽，该矩形凹槽的表面有两道小凹槽，该长方形样品托盘放置于高纯石墨体中央矩形腔道底面上的矩形凹槽内，所述长方形样品托盘上有一个圆形衬底定位槽，所述高纯石墨体上有一圆孔、四个扇形通孔和一测温用圆形凹槽。

8.如权利要求1或6所述的高温碳化硅双室热壁式外延生长装置，其特征在于，其中所述的两个热壁石墨腔室两端的两石英圆盖，其上中央位置各有一矩形通孔，与高纯石墨体的中央矩形腔道相对应，一石英圆盖上有一个圆形通孔，与高纯石墨体测温用圆形凹槽对应，另一个圆形通孔，与高纯石墨体上的圆孔相对应。