CN102317500A - 化学气相沉积系统和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种化学气相沉积系统，所述系统包括：用于容纳至少一个样品的工艺管，所述工艺管由碳化硅构造而成，用硅浸渍并涂布有碳化硅；将所述工艺管抽成高真空的抽吸系统；用于将一种或更多种工艺气体引入到抽空的工艺管中的一个或更多个气体入口；和加热器，以加热工艺管并由此加热工艺管内的所述一种或更多种工艺气体和所述至少一个样品以使材料通过化学气相沉积沉积到工艺管内的所述至少一个样品上。

Description

化学气相沉积系统和工艺
技术领域
本发明涉及一种化学气相沉积(CVD)系统和工艺，特别是涉及用于沉积半导体如碳化硅的系统和工艺。
背景技术
由于其有利的电学和化学性质及其显著的天然丰度，半导体单质硅大概是地球上研究得最多的物质并且是微/纳电子器件、微/纳电动机械器件和系统(MEMS/NEMS)及光伏器件的制造和其他相关技术中使用的主要材料。
尽管其具有许多优点、对其加工和性能专业技能的开发已超过50年，但对于一些应用来说，其他半导体可能具有胜于硅的优势。例如，一些化合物半导体较高的载流子迁移率、宽带隙和直接带隙使得这类材料优选用在极高速的专用微/纳电子器件和发光器件如固态激光器和发光二极管(LED)中。
一种非常重要的化合物半导体为碳化硅(SiC)，碳化硅是一种极硬的陶瓷材料，具有宽带隙、高热导率、低热膨胀系数、传导高电流密度的能力和高耐化学性。此外，碳化硅是除硅自身外唯一的与氧反应形成器件质量的绝缘氧化物SiO2的半导体，因此对于半导体器件的制造极为有利。其他化合物半导体通常需要沉积器件质量的介电层，这是相当大的缺点，也是为何这类材料没有得到广泛采用的原因之一。最后，可通过引入杂质(例如氮和铝)对SiC进行掺杂以形成n-型和p-型导电区域。这些性质已使SiC成为制造高温和高功率电子器件的重要材料，并且还表明其在性能优于硅制器件的分立器件、集成电路和MEMS/NEMS器件的开发中有着进一步的潜力，这些优异性能包括高耐化学性和辐射硬度、高温操作、高功率能力、高速和高效率运行。
虽然碳化硅晶片可市售得到，但由于难以生长出用于器件应用的缺陷密度足够低的SiC，故其极昂贵且仅可得到小的晶片尺寸(例如直径2英寸的价格在A$1,500，直径4英寸的价格在A$5,000)。单晶SiC的晶锭(boule)在约2200℃的温度下形成，这对加工设备提出了严峻的挑战。比较起来，单晶硅的晶锭在约1410℃的低得多的温度下形成。直径150mm(≈6英寸)的头等硅晶片每片仅花费约A$30。
碳化硅具有极其大量的不同多型体，4H和6H为用来形成块状晶片的最常见多型体。但是，3C多型体的薄层可在Si晶片上外延生长，从而允许将高度发展且良好表征的硅芯片技术与碳化硅的赋能(enabling)性质结合起来而在可快速引进市场的成本有效平台上提供增强的能力。此外，碳化硅在硅晶片上的外延膜也可用作具有匹配的晶格常数的其他单晶半导体的一个或更多个层的后续沉积的缓冲层，以使得能够以相对较低的成本并且使用硅晶片加工设备由这些材料制造器件。
用SiC制造器件通常需要缺陷和杂质密度低的高质量单晶SiC。当SiC呈单晶硅衬底上外延生长的层的形式时，硅与碳化硅之间大的晶格失配阻止从硅到碳化硅的完美晶体转变。此外，沉积过程中引入SiC膜中的杂质可能降低其品质。另外，这样的杂质可能优先沉淀或者另外被截留在SiC晶格内的缺陷处和/或可能甚至导致反相畴界、堆垛层错和/或位错的形成，从而进一步降低SiC膜的电子和光学性质。
化合物半导体通过低压化学气相沉积(LPCVD)进行的外延沉积通常是一个缓慢的过程。由于沉积在生长表面上的原子物质的表面迁移率有限，故需要长的沉积时间来使这些物质能够运动到最低能量的原子位置并因此形成具有低缺陷密度的高质量单晶材料。然而，长的加工时间也增大污染的可能性。不希望有的杂质如水蒸汽、氧、气态氧化物和氮通常具有非常高的粘附系数并且可易于吸附到沉积的半导体膜的表面上或与沉积的半导体膜的表面反应，从而污染膜。相反，气态沉积前体如硅烷(在SiC沉积情况下)可具有非常低的粘附系数(取决于工艺条件)，由此，仅小百分率的表面碰撞就使得所需的原子物质(例如硅烷情况下的硅)保留在表面上。因此，确保非常低的污染物水平特别重要。
在过去几十年的科学文献中，已有许多在硅上沉积器件质量的碳化硅的尝试，但取得的成功总体上非常有限。特别地，开发用于在硅晶片上商业规模生产3C碳化硅的工艺和装置的尝试未能成功。
例如，一种这样的尝试见述于Nagasawa和Yagi，3C-SiC single crystalfilms grown on Si Substrates，Phys.Stat.Sol.(b)202，335 1997(下文称“Nagasawa”)。Nagasawa描述了一种具有热壁二氧化硅反应管的SiC沉积系统。但在低压和高温下，二氧化硅不是密封的，从而允许污染物穿过管壁。此外，由于抽吸系统和系统的真空完整性(密封性)，系统的操作窗口和基压有限。从示出加工过程中的分压的曲线图明显可见缺乏泄漏完整性。甚至在这些高流量和压力下，水蒸汽(17和18原子质量单位(amu))和氮(28amu)的迹象明显。Nagasawa中描述的工艺使用第一气体前体，泵抽出该气体，然后流动第二前体以形成碳化硅。但本发明人认为，在整个过程中沉积表面暴露于污染物很可能将限制Nagasawa系统所能产生的沉积膜的质量。
尽管从Nagasawa的论文出版以来已过了十多年，但在创造能够在Si上产生器件质量的3C碳化硅膜的沉积系统方面取得的进展看起来微乎其微，即便是小尺寸晶片也如此。
确实，用于沉积器件质量的碳化硅膜的系统不容易得到，目前尚未达成固定的设计，原因在于在硅上沉积碳化硅的商业可行性工艺尚未建立起来。
美国专利5,861,346公开了一种用C60前体在硅衬底上形成碳化硅层的方法。
需要提供一种减轻现有技术的一个或更多个难点或至少提供有用的替代方案的化学气相沉积系统和工艺。
发明内容
根据本发明，提供了一种化学气相沉积系统，所述系统包括：
用于容纳至少一个样品的工艺管，所述工艺管由碳化硅构造而成、用硅浸渍并涂布有碳化硅；
将所述工艺管抽成高真空的抽吸系统；
用于将一种或更多种工艺气体引入到抽空的工艺管中的一个或更多个气体入口；和
加热器，以加热工艺管并由此加热工艺管内的所述一种或更多种工艺气体和所述至少一个样品以使材料通过化学气相沉积沉积到工艺管内的所述至少一个样品上。
所述高真空可处于10-6mBar范围内或以下。系统可能够在至多约1350℃的温度下运行。
加热器可围绕工艺管的中心部分周向布置，所述工艺管的中心部分布置在工艺管从加热器延伸的外侧部分之间，并且系统可包括用于冷却工艺管的外侧部分的装置。冷却工艺管的外侧部分的装置可包括至少一个散热器。
系统可包括两组布置在工艺管内并且通过工艺管内基本恒温的热平坦区(flat zone)相互间隔开的辐射挡板，所述辐射挡板配置为减少热平坦区的辐射热损失。至少里面的辐射挡板可由碳化硅构成并涂布有碳化硅。
辐射挡板可占据工艺管内的相应区域，并且一个或更多个气体入口可配置为将气体输送到这些区域中的相应区域。所述一个或更多个气体入口可包括至少两个气体入口。
系统可包括布置在工艺管内的碳化硅衬里。
在沉积过程中布置在工艺管内基本恒温的热平坦区内的所有系统部件均可由涂布有CVD碳化硅的碳化硅构成。
抽吸系统可配置为使用一个涡轮分子泵仅从一端抽空工艺管。
或者，抽吸系统可包括两个涡轮分子泵，所述两个涡轮分子泵配置为从工艺管的各自端来抽吸。
所述一个或更多个气体入口可包括两个配置从工艺管内基本恒温的热平坦区的各自端向热平坦区中引入一种或更多种工艺气体的气体入口，并且系统可配置为通过交替使用泵和气体入口而使材料沉积为相继层，使得工艺气体在相继层的沉积过程中以相互相反的方向流经热平坦区，从而改善沉积材料的晶片与晶片间的均匀性。
或者，所述一个或更多个气体入口可包括两个配置为从工艺管内基本恒温的热平坦区的各自端向热平坦区中引入一种或更多种工艺气体的气体入口，并且系统可配置为通过同时使用泵和气体入口来沉积材料，使得工艺气体在沉积过程中以相互相反的方向流经热平坦区，从而改善沉积材料的晶片与晶片间的均匀性。
所述一个或更多个气体入口可包括两个布置在加热区的各自端的气体入口。
系统可包括储气器，该储气器配置为临时贮存一定量的工艺气体并随后释放所贮存的工艺气体以快速增大工艺管内的压力。
系统可配置为使用在沉积过程中在工艺管中未经稀释的工艺气体。
系统可包括使用点净化器(point of use purifier)以使工艺气体的污染程度降低至ppb级。
系统可包括晶片支架(holder)，该晶片支架配置为在沉积过程中支承近间距背对背立式排列的一对或更多对晶片，各对晶片的背表面间的近间距小到足以减小背表面上的沉积厚度并且大到足以便于工艺管的抽空。
系统可包括一个或更多个具有相互间隔开的v-形槽组的晶片支架用于在沉积过程中支承近间距背对背立式排列的晶片，其中所述v-形槽组在相邻的v-形槽间具有各自不同的间距以便能够选择所需的晶片间距而在晶片的背表面上提供相应的沉积厚度并由此在各个晶片的相反面间提供相应的应力不对称性。
系统可配置为在保持所述至少一个样品在工艺管内和真空下的同时沉积具有各自相反的掺杂极性的半导体的相继层。
系统中的气体流动可通过质量流量控制器经由多个气体歧管和多个旁路抽吸装置来控制以使多个工艺气体流中的每一个在绕行工艺管的同时独立地稳定化，然后再把经稳定的工艺气体流切换到工艺管中。
所述材料可以是碳化硅。
所述材料可以是碳化硅，所述至少一个样品可以是至少一个单晶硅晶片，所述碳化硅是外延沉积在所述至少一个单晶硅晶片上的器件质量的单晶碳化硅。
本发明还提供了一种化学气相沉积工艺，所述工艺包括：
将样品置于由碳化硅构造而成、用硅浸渍并涂布有碳化硅的工艺管中；
将所述工艺管抽成高真空；
加热所述工艺管并由此加热所述工艺管内的所述至少一个样品；以及
向抽空并受热的工艺管中引入一种或更多种工艺气体以使材料通过化学气相沉积沉积到工艺管内的经加热的至少一个样品上。
所述高真空可处于10-6mBar范围内或以下。
工艺管可从各自端同时抽吸，并且所述一种或更多种工艺气体可以从工艺管内基本恒温的热平坦区的各自端同时引入热平坦区中以改善沉积材料的晶片与晶片间的均匀性。
材料可在工艺管内基本恒温的热平坦区中沉积到所述至少一个样品上，并且材料可沉积为一对或更多对相继材料层，其中在沉积每一对相继层的过程中，通过热平坦区的净气体流处于相互相反的方向以改善沉积材料的晶片与晶片间的均匀性。
所述工艺可包括向工艺管中释放一定量所贮存的工艺气体以快速增大工艺管内的压力。
在沉积过程中，所述一种或更多种工艺气体可不经稀释用于工艺管中。
所述至少一个样品可包括多个晶片，并且所述工艺可包括在沉积过程中支承近间距背对背立式排列的晶片，各对晶片的背表面间的近间距小到足以减小晶片的背表面上的沉积厚度并且大到足以便于工艺管的抽空。
所述至少一个样品可包括多个晶片，并且所述工艺可包括在沉积过程中支承相互间隔排列的晶片使得材料基本同等地沉积在各个晶片的两面上从而在其上提供基本相等的应力。
所述工艺可包括在保持所述至少一个样品在工艺管内和真空下的同时沉积具有各自相反的掺杂极性的半导体的相继层。
所述材料可以是碳化硅。所述至少一个样品包括至少一个单晶硅晶片，所述材料可以是外延沉积在所述至少一个单晶硅晶片上的器件质量的单晶碳化硅。
本发明还提供了一种化学气相沉积系统，所述系统具有配置为用于实施上述工艺中的任一种的部件。
本文中还描述了一种热壁真空炉，其中所述炉壁为由碳化硅构造而成、用硅浸渍并涂布有碳化硅的管以提供能承受高真空和高温的加工容器。
附图说明
下文将结合附图仅作为示例描述本发明的一些实施方案，在附图中，相似的附图标记代表相似的元件，其中：
图1为化学气相沉积系统的第一实施方案的示意性截面侧视图；
图2为化学气相沉积系统的第二实施方案的示意性截面侧视图；和
图3为图1和2的系统的工艺管和气体歧管的示意性截面侧视图。
具体实施方式
如图1和2中所示，化学气相沉积装置或系统100、200包括圆筒形工艺管102，其用于容纳在其上将通过化学气相沉积(CVD)而沉积的一种或更多种材料的一个或更多个薄层或膜的衬底或样品(通常是硅晶片)104。下面用向单晶硅(Si)晶片上沉积单晶碳化硅(SiC)膜来描述系统100、200，最初开发系统100、200就是为了此应用。但应理解，系统100、200及本发明的其他实施方案也可以或作为替代方案用来向硅、碳化硅或其他衬底上沉积其他材料、其他半导体材料(包括其他化合物半导体如GaN在内)。本领域技术人员应理解，在本发明的上下文中，术语“半导体”包括沉积时事实上可以不是半导电的材料，即其电导率可以被视为导电的或绝缘的但可掺杂有一种或更多种杂质而使其电导率通常改变达多个数量级的材料。
在系统100、200中，工艺管102的相反端通过O-形圈真空密封件108与端部法兰106(如果需要，在其他实施方案中可以是水冷的)接合。工艺管102的进口由装料门110提供，装料门110经由O-形圈密封件112与端部法兰106中的一个相连。
在操作时，衬底104通过装料门载入工艺管102中。工艺管102然后被抽至低压(这将在下面进一步描述)，然后，工艺管102由标准的三区炉加热器114加热，继而主要通过辐射对工艺管102的内容物特别是衬底104加热。本领域技术人员应认识到，沉积系统100、200呈“热壁”真空炉的形式，特别是呈化学气相沉积(CVD)反应器的形式。各个热壁炉系统100、200的构造使其能够提供高达1350℃的均匀、稳定的加工温度。虽然所述实施方案的工艺管102是卧式的并且衬底104在工艺管内被支承在卧式悬臂支承构件115上，但其他实施方案可具有立式取向的工艺管。
虽然其他实施方案可使用感应加热，但在所述的实施方案中，加热通过使电流流经由KanthalTM丝形成的电阻加热器元件而产生。炉衬里的感应加热更为复杂且需要较大的功率需求。
三区加热器114有效地加热工艺管102内的三个邻接区，包括其中晶片104所处的且发生沉积的在本领域中称为“热平坦区”(或“反应区”)的中心均匀温度区116。与标准晶片炉的情形一样，使用陶瓷和纤维绝缘来减少自加热器组件114的外部热损失，并且热平坦区116布置在两个端区之间，两个端区通常比热平坦区116更热以允许辐射和传导热损失。使用测定各区温度的热电偶(未示出)来控制三个加热器区的功率以获得沿着热平坦区116的均匀温度。
热平坦区116内的温度稳定性和均匀性利用辐射挡板118来促进，所述辐射挡板118位于两个最外侧的加热器区的外缘处并配置为减少热平坦区116的辐射热损失。通常，如果其阻隔进入三个加热区的任何直视视线，则辐射挡板将是有效的，且其数量和尺寸将影响总热量损失。在所述实施方案中，系统100包括两组布置在工艺管102内的辐射挡板118。每一组由五个相互间隔开的挡板组成，总长度为180mm，排列为使最内侧的挡板正好在工艺管102的围绕其布置有三区加热器114的部分的外侧。对于任何给定的沉积系统，挡板118的尺寸选择为在足够的温度均匀性需要(较大的挡板有利)和仍允许足够的抽吸速度以达到所需的加工压力模式(regime)(较小的挡板有利)之间提供平衡。例如，在系统100中，挡板118是圆形的，直径为176mm，提供至系统100的衬里122间的间隙为32mm，衬里122将在下面描述。通过(i)改善热平坦区116内的温度均匀性和(ii)减少工艺管102外的部件的加热(特别是O-形圈密封件108的加热，从而保持其物理完整性和其对大气气体的低渗透性，因此改善真空)，辐射挡板118和高真空泵128一起将系统100的加工范围和运行过程控制扩展到超出现有技术系统的可能性，并且还减少了加工过程中的污染。
在任何实施方案中，辐射挡板的形状和构造都影响工艺管抽吸速度和辐射阻挡效率。特别地，工艺管抽吸速度通常将随挡板边缘与工艺管内壁之间的间隙尺寸的增大和/或在挡板自身中提供开口而增大。但为减少工艺管102的辐射损失，任何这样的间隙或开口均应尽可能地交错排列或不成一直线(受刚才描述的抽吸限制)，使得没有视线进入工艺管102中。例如，辐射挡板可呈圆盘的形式，开口从一个挡板到另一个挡板不对齐(line up)。或者，一些辐射挡板可呈环形圈的形式，其他挡板呈圆盘的形式，圆盘的外半径大于环形圈的内半径。很明显，可设计出许多其他辐射挡板构造和排列来提供上述优点。
工艺管102由用硅浸渍并且然后涂布有更多碳化硅的烧结碳化硅构成以提供能承受高真空(例如气密)和高温的加工容器。工艺管102的高热导率促进热平坦区116内的均匀热分布，在热平坦区116中，温度精度和晶片内以及晶片与晶片间的沉积均匀性可在长加工期内得到保持，在高于700℃的温度下，温度精度通常低于±0.5℃。在所述的实施方案中，工艺管102是由AGC Electronic America，Inc.制造的。
工艺管102的长度为约1200mm，内径为约230mm，可以成批处理约四个直径150mm的立式支承的晶片或一个200mm的卧式支承的晶片。然而，系统100、特别是系统200的构造使得它们可以容易地放大到更大的工艺管直径和/或到更大的长度以使得能够处理更大的晶片以及每批可处理更多的晶片，但这可能需要相应地升级抽吸系统以满足真空需要。
虽然不是必须的，但在任何实施方案中均高度希望系统的所有高温部件具有与工艺管102相同的组成，如在所述实施方案的系统100、200中那样。
通常，为放宽系统的加热和抽吸要求，工艺管102在热平坦区116之外的外侧部分可选择为尽可能地短。然而，在所述的其中工艺管102的端部由O-形圈密封件108所密封的系统100、200中，出于上述原因，工艺管102的端部需要保持在与真空密封O-形圈108相容的温度下。因此，由于碳化硅具有高热导率，故如果工艺管102凸出在加热器114外的部分非常短的话，则其可能需要主动冷却。在所述实施方案100、200中，这通过在制造过程中为工艺管102提供一体式冷却片120形式的散热器来实现。但一种替代方案是在制造后将导热片(在这样的实施方案中，其未必由SiC构成)附接到碳化硅管102上，这样的布置将便于工艺管102插入圆柱形加热器114中和从圆柱形加热器114中移除。然而，圆柱形加热器114能够以两个(例如半圆柱体或相似的)部分的形式提供，这两个部分可易于分离以便于移除工艺管102。在任何情况下，可引导冷却风扇吹过冷却片(或散热器的其他形式)以提高冷却效率。与水冷相比，空气冷却具有减小工艺管端部附近的热梯度的附加好处，从而减少热冲击或热应力的可能性，否则其可能潜在地使碳化硅管102破裂。
在运行过程中，工艺管102内的压力和温度可决定反应模式，这具体取决于特定的工艺。通常(SiC沉积通常就是这样)，在给定的温度下，反应过程可从较高压力下的沉积过程转化为较低压力下的蚀刻过程。高度希望沉积系统的运行范围涵盖这两个反应模式并因而确保足够低的污染程度以产生高质量的沉积膜。
具体而言，希望在抽吸管路中测得的系统的基压处于10-6mbar范围内或更好。在本发明的上下文中，“基压”指运行过程中但在工艺气体已被抽出时系统100、200可例行达到的压力，这与例如当系统已被抽吸(并可能被焙烤)数天或更长时间而未进行沉积时可达到的极限压力不同，后者可能再低至少一个数量级。但本领域技术人员应理解，热平坦区116中的实际压力通常不能直接测定，首先是因为真空计128、129需要布置在SiC工艺管102外，因此这样的真空计128、129的压力读数很可能低于热平坦区116中的真实压力。其次，虽然电容压力计在测定沉积过程中的压力时因其与工艺气体相容并与气体组成无关而表现优异，但其可测定的最低压力在10-4mbar范围内。相反，高真空计可测定低于约10-5mbar的压力，但通常与工艺不相容。此外，工艺管102的端部在O-形圈108处的温度越高，则气体穿透O-形圈108的可能性就越高。因此，任何压力读数均需要在这些限制条件的背景下理解。
为达到高真空基压10-6mbar或更好，系统的实际和虚拟真空泄漏和抽吸速度需要足以在可接受的时间框架内达到该基压。工艺管102的直径越大，则其抽吸传导性就越好。系统内不希望有的气体源包括从系统的部件释气及当然的任何虚漏和实漏。由于在运行过程中系统100、200的部件及系统100、200内的部件被加热，故在热循环过程中系统100、200的真空完整性及从系统100、200的部件或系统100、200内的部件的任何释气需要非常低并得以保持。
由于新沉积的材料的原子键合可能弱，因此需要使用减少进一步碰撞的较低压力工艺气体前体，并因此在沉积过程中，前体不经惰性气体如氩气稀释。
当在沉积膜中形成不同电极性的层时，高度希望这些层(例如获得n-型到p-型和p-型到n-型层)在同一工艺管102中顺次沉积而不破坏真空，以减少污染和/或界面处的缺陷以及提高生产率。
在沉积工艺过程中，掺杂剂前体如三甲基铝(TMAl)可能被吸附到反应器部件上并随后在后来的工艺中解吸，包括在形成相反掺杂极性的层时，在这种情况下，解吸的物质可能干扰所需的掺杂。为减少这样的吸附和随后的解吸，在整个沉积过程中将暴露于前体、特别是热平坦区116外的反应器部件保持在尽可能高的温度下，为此，系统100包括在工艺管102内的圆柱形衬里122。在所述的实施方案中，衬里122的组成与工艺管102相同；也就是说，其由浸渍有Si的碳化硅形成。安装后，衬里122的内表面然后被原位CVD涂布SiC。衬里122的使用是有利的，因为与炉管102不同，衬里122不密封到O-形圈，因此整个衬里122可保持在高温下，而如上所述，工艺管102的外侧部分需要较冷，从而允许更多吸附到这些较冷的部分上。通过用CVD SiC的层密封衬里122的内外表面，衬里122内的掺杂剂的吸附和/或渗透将得到抑制，从而抑制不希望有的掺杂剂污染，否则这是可能发生的，特别是如果使用常规材料如熔融二氧化硅/石英的话。
通过确保内部系统部件足够热以防止或抑制气体吸附和随后的解吸，由此避免了掺杂剂记忆效应。这使得能够在同一系统中顺次处理，例如顺次沉积n-型和n-型掺杂层。衬里122还为系统维护提供了益处，原因在于其可易于移除以便清洁或更换。
真空系统
如上所述，工艺管102由烧结SiC构成，通过用硅将其浸渍并然后涂布CVD SiC层进行密封以确保系统100可在高真空(10-6mbar范围内或更好)基压下运行。为达到该真空度，系统100和系统200分别使用一个和两个涡轮分子泵124、126。涡轮泵与工艺气体相容，选择的型号可应对高量气体负荷。在系统100、200中，泵124、126在工艺管102的热区视线之外以确保泵124、126不直接暴露于工艺管102的辐射热，否则这可能降低泵124、126的性能或甚至导致泵失效。
为便于晶片104的装载和卸载，利用在沉积材料中不作为杂质或污染物的惰性高纯度气体如氩气将系统100、200放空至大气压力。
在真空下，吸附到炉壁上的任何气体和水蒸气均将释放，这将增加达到高真空所花的时间，并且还将增加污染的风险和程度。为减少这样的污染、抽气时间、温升时间和热循环，将热平坦区116的温度保持在至少600℃，泵管路中的其他部件也被加热，且系统100、200在装载过程中经吹扫以减少反应器部件的大气污染。在系统100、200中，样品装载可在高达800℃的炉温下进行。在其他实施方案中，可包括手套箱或类似的惰性环境区域和/或真空装载锁以进一步利于生产率并降低装卸样品过程中的污染风险。
在已将样品104装载进工艺管102中且装料门110关闭后，使用低真空泵(未示出)抽空系统至＜1mbar。控制此抽空以减少湍流，否则其可能导致颗粒污染。单独的低真空泵的使用(与和涡轮泵124、126一起使用前级泵(backing pump)形成对比)减少前级泵暴露于非工艺气体的气体或工艺副产物。然后使用涡轮分子泵124、126以使系统100、200内的压力(如通过高真空计128所测得)降低至低于至少10-5mbar并且通常进入10-6mbar范围和低于10-6mbar范围。在这些压力程度下，系统100、200的物理构造、其抽吸能力、其气体入口和出口、真空密封件、内表面和部件的组成、以及温度均对达到和保持低压的能力有影响。系统100、200的抽吸传导性(或阻力)还取决于用来使反应器116中保持均匀温度的辐射挡板118的数量和尺寸。压力控制可通过经由控制抽吸传导性的阀130、132改变抽吸传导性来实现，并且可以是使用来自电容压力计129的反馈的闭环压力控制系统的一部分。在分子流模式中的低加工压力下，压力控制最好通过控制气流来实现。本领域技术人员应理解，所有这些因素均可影响抽吸传导性和达到所需真空程度所花的时间。
气体输送系统
系统100、200的另一个重要方面是沉积工艺中所用气体/前体的管理和输送。使用高纯度和超高纯度气体。为达到极低的污染程度，系统100、200包括内部电抛光的焊接不锈钢管气体处理子系统，所述子系统具有VCR配件和使用点(point-of-use)净化器206以将水、CO、CO2和O2的量从ppm污染级降至ppb污染级。
系统100、200包括质量流量控制器204、多个工艺气体歧管、多个旁路泵和多个气体入口134、136，从而提供工艺灵活性、气体输送精确性和生产率优势。所述多个歧管和旁路泵通过在工艺气体被切换进反应器中之前使气体流向前级泵而使来自质量流量控制器的气流得以稳定。这对于对压力和/或流率敏感的沉积工艺特别重要。当向着其流量范围的底端(例如≤5％)操作时，标准的质量流量控制器通常花费数秒来稳定。当使气体直接流向工艺真空泵(即绕行工艺管102)时，通过使质量流量控制器稳定数秒，经稳定的气流然后可在需要时切换为流经工艺管102。
一些沉积工艺(包括本文中所述的SiC沉积工艺)涉及至少两个交替的步骤，其中相应的工艺气体被引入反应器中至相应的压力，各个步骤要求在引入用于当前步骤的适宜工艺气体之前将用于其他步骤的工艺气体抽出。这一反复的抽出和工艺气体引入顺序增加了整个沉积工艺的持续时间并因此增加了工艺的成本。特别地，由于反应器室容积大，故每次向反应器中引入新的工艺气体均可能要花费大量的时间来建立该气体的所需工艺压力。
为减轻这个难点，如图3所示，系统100、200包括用于临时贮存和随后释放工艺气体的储气库302。例如，当反应器室已被抽空至所需压力并且下一工艺气体有待引入反应器中时，打开歧管阀以向反应器室中释放一股所贮存的工艺气体。与抽吸速度控制相组合，这可使工艺管102中的压力根据需要非常快速地升高并保持，从而缩短整个沉积工艺的持续时间并降低成本。虽然图3中示意为单独的部件，但在所述系统100、200中，储气库302由气体歧管管路自身的容积提供，其中管路的总长度和直径决定储气库的容积。然而，其他实施方案可使用与图3中所示相似的单独的储气装置。
例如，考虑真空系统容积为200L的沉积系统，其中所选的抽吸速度和10立方厘米每分钟的稳态气体流量使反应器中的压力为76毫托。可基本上瞬时释放20立方厘米气体而使200L系统中的压力从低压(＜＜76毫托)升至约76毫托。假设P1V1＝P2V2且温度恒定，则该压力然后可通过以选定的抽吸速度流动10立方厘米气体而得到保持。在没有储气库302的情况下，通常需数分钟来达到设定的压力。作为替代方案，可用多个质量流量控制器(MFC)快速引入各个工艺气体、然后降低(ramp down)气体流量来实现类似的压力控制，但这样做的话，各个工艺气体需要多个MFC，因为各个MFC的流量范围有限。由于一些沉积反应可以非常快速地进行，因而快速转换成所需的工艺压力可避免长的压力稳定时间并因此大大缩短整个工艺的持续时间。
本领域技术人员应理解，当在低压和高抽吸速度下操作时，沿热平坦区116的压力是不均匀的。由于气体压力代表气体与沉积(例如晶片)表面碰撞的频率，因此预计沿工艺管102将有沉积速率的变化。这还由于也可影响沉积速率的气体共振时间和耗尽效应而进一步复杂化。为提供更大的晶片与晶片间涂布厚度的均匀性，各个系统100、200包括反应器容积内部的管形气体注射器134以向辐射挡板118内的加热器组件区中直接引入气体。所述气体输送系统允许气体每次从工艺管102的任一端引入(这将在下面进一步描述)或同时从两端引入。
当在分子流模式下加工时(此时，气体主要与表面发生碰撞而很少与其他气体分子发生碰撞)并且在高抽吸速度下，沿热平坦区116的压力变化是不可避免的。在一些工艺模式下，通常在前体物质具有非常低的粘附系数时，气体压力将直接对应于沉积速率；即前体的耗尽不会显著影响沉积速率。使用批量加工沿长条形热平坦区布置的许多晶片的任何沉积系统时，沉积速率可能根据晶片的不同而显著地改变，使得精确控制沉积厚度的大量商业化生产困难。抽吸速度沿热平坦区116的线性减小可能导致沉积速率的相应线性改变。为沿成批的晶片104获得高精度和均匀性，图2中所示系统200包括在反应器的相反端的两个涡轮泵124、126和相应的压力控制系统130、132。在沉积过程中，通过同时使用气体注射器134和涡轮泵124、126，所产生的系统200的对称性将改善沿热平坦区116的工艺气体压力的均匀性并因此改善晶片与晶片间的均匀性。
或者，晶片与晶片间的均匀性可通过在相继的沉积步骤中使净工艺气体流动反向来改善。具体而言，通过(i)左侧涡轮泵124和其相对的(右侧)气体注射器136与(ii)右侧涡轮泵126和其相对的(左侧)气体注射器134的交替使用，系统200的对称性将改善各对相继交替沉积步骤上晶片与晶片间沉积厚度的均匀性。这还允许在待使用的气体流量和工艺条件方面的大的变化，并且将减少与进入炉的热区和甚至进入热平坦区的气体注射器有关的维护和清洁问题。图2的系统200因此将比图1的单泵系统100提供更好的沉积材料的晶片与晶片间的均匀性，并因此更可放大至较大的晶片和/或较大的批量尺寸。
如图2所示，气体注射器134布置为在沿辐射挡板118的大约中间的位置处引入工艺气体。如果工艺气体在辐射挡板134外和更靠近涡轮泵124、126引入，则当注射器134和涡轮泵124、126在分子流模式下同时运行时，那么(通常昂贵且有毒的)工艺气体的利用率低，原因在于各个工艺气体的相当大部分被直接抽吸到系统100、200相同端的涡轮泵中而不通过工艺管102。此外，这些区域中的掺杂气体可能被吸附到系统100、200的较冷表面上并因此导致后续沉积步骤的掺杂剂中毒。
相反，如果工艺气体在加热区内引入，则这些区域中的高温可能导致工艺气体在气体注射器134内反应和/或分解，从而至少部分地阻塞气体注射器134并因此干扰沉积工艺，还潜在地需要打开系统100、200进行清洁。
系统100、200中气体注射器134的布置因此选择为减轻上面的难点。
在任何卧式炉管中，半导体晶片通常安装在夹具或晶片舟中，所述夹具或晶片舟支承立式且等间距排列的晶片。系统100、200包括晶片舟，其与工艺管102一样，由用硅浸渍并涂布有CVD碳化硅的碳化硅构成。通过布置舟的末端远离晶片104(在此情况下至少50mm)并通过尽可能地减少纵向支承轨的数量和厚度，晶片舟构造为减少对到达晶片表面的工艺气体的破坏。单个晶片由平底V-形凹槽支承，并且沉积发生在晶片的前后两面上。确实，这是本文中所述系统100、200优于现有技术沉积系统的一大优点，现有技术沉积系统需要衬底晶片卧式放置在加热器上，因此，沉积仅发生在晶片的一面上。这是因为仅在晶片的一面上沉积所导致的不对称应力致使晶片变形或“弯曲”而使晶片畸变，从而给后续平面加工例如光刻带来困难。
然而，在晶片弯曲不是问题的情况下，一个晶片舟包括具有平底和30°侧壁的宽0.83或1.5mm的V-形凹槽，这允许背对背地支承两片晶片，因此将抑制晶片背面上的沉积并通过允许在一批中加工更多的晶片而降低成本。其他晶片舟包括相互间隔开不同间距的V-形凹槽，以支承在晶片的背面之间具有选定的小间隙的晶片，从而便于抽空并同时使背面沉积减少所需的量。任何情况下间隙的最佳尺寸均取决于晶片尺寸和所用的具体沉积工艺。在对各个晶片的各面上具有不等应力的预加工晶片上进行沉积的某些情况下，选择所需晶片至晶片间距的能力可能特别有利。这样的晶片可以以选定的间距背对背地放置在晶片舟中以在晶片背面上沉积选定量的材料，从而至少部分地补偿或平衡既存应力。
为达到所需的加工条件，受热真空区116内的所有部件均由涂布有CVD碳化硅的高真空相容碳化硅构成。CVD涂层可以是既存的或可以作为系统的初始调整工艺的一部分来沉积。在其他实施方案中，希望至少最高温度的(即最内侧的)辐射挡板、衬里122、悬臂支承构件115和晶片舟如此构成。在一些实施方案中，较低温度的挡板和气体注射器可由石英制成，但污染和降解的风险增大。在各个系统100、200的工艺管102内使用相同的SiC材料最大限度地减小热胀差异，继而减少颗粒污染。沉积膜的任何破裂也可能降低真空性能。
同其他沉积系统一样，各个系统100、200包括微处理器(未示出)，该微处理器使得能够调制器(recipe)驱动、全自动控制及数据记录。此外使用了硬件和软件安全互锁装置来满足设备和人员安全需要。
通过上面的描述，本领域技术人员应认识，本发明提供了一种改进的化学气相沉积系统。特别地，本文中所述的系统允许在大面积上沉积化合物半导体如SiC的高质量层。例如，上面描述的系统100以及特别是系统200可容易地放大到大晶片尺寸(例如150mm、300mm或更大)和更大的晶片批量(即更多晶片)以使得能够进行商业规模生产。本领域技术人员还应认识，本发明能够以许多不同于本文中所述那些的实施方案实施而不偏离本发明的范围。

Claims (37)

1.一种化学气相沉积系统，所述系统包括：
用于容纳至少一个样品的工艺管，所述工艺管由碳化硅构造而成、用硅浸渍并涂布有碳化硅；
将所述工艺管抽成高真空的抽吸系统；
用于将一种或更多种工艺气体引入到抽空的工艺管中的一个或更多个气体入口；和
加热器，以加热所述工艺管并由此加热所述工艺管内的所述一种或更多种工艺气体和所述至少一个样品以通过化学气相沉积使材料沉积到所述工艺管内的所述至少一个样品上。
2.权利要求1的系统，其中所述高真空为处于10-6mBar范围内或以下。
3.权利要求1或2的系统，其中所述系统能够在至多约1350℃的温度下运行。
4.权利要求1-3中任一项的系统，其中所述加热器围绕所述工艺管的中心部分周向布置，所述工艺管的中心部分布置在所述工艺管从所述加热器延伸的外侧部分之间，并且所述系统包括用于冷却所述工艺管的所述外侧部分的装置。
5.权利要求3的系统，其中所述冷却所述工艺管的所述外侧部分的装置包括至少一个散热器。
6.权利要求1-5中任一项的系统，所述系统包括两组布置在所述工艺管内并且通过工艺管内基本恒温的热平坦区相互间隔开的辐射挡板，所述辐射挡板配置为减少所述热平坦区的辐射热损失。
7.权利要求6的系统，其中所述辐射挡板中至少在内侧的那些由碳化硅构成并且涂布有碳化硅。
8.权利要求6或7的系统，其中所述辐射挡板占据所述工艺管内的相应区域，并且所述一个或更多个气体入口配置为将气体输送到这些区域中的相应区域。
9.权利要求1-8中任一项的系统，其中所述一个或更多个气体入口包括至少两个气体入口。
10.权利要求1-9中任一项的系统，所述系统包括布置在所述工艺管内的碳化硅衬里。
11.权利要求1-10中任一项的系统，其中在沉积过程中布置在所述工艺管内的基本恒温的热平坦区内的所有系统部件均由涂布有CVD碳化硅的碳化硅构成。
12.权利要求1-11中任一项的系统，其中所述抽吸系统配置为使用一个涡轮分子泵仅从一端抽空所述工艺管。
13.权利要求1-11中任一项的系统，其中所述抽吸系统包括两个配置为从所述工艺管的各自端抽吸的涡轮分子泵。
14.权利要求13的系统，其中所述一个或更多个气体入口包括两个配置为从所述工艺管内基本恒温的热平坦区的各自端向所述热平坦区中引入所述一种或更多种工艺气体的气体入口，并且所述系统配置为通过交替使用所述的泵和气体入口而将所述材料沉积为相继层，使得所述工艺气体在相继层的沉积过程中以相互相反的方向流经所述热平坦区，从而改善沉积材料的晶片与晶片间的均匀性。
15.权利要求13的系统，其中所述一个或更多个气体入口包括两个配置为从所述工艺管内基本恒温的热平坦区的各自端向所述热平坦区中引入所述一种或更多种工艺气体的气体入口，并且所述系统配置为通过同时使用所述的泵和气体入口来沉积所述材料，使得所述工艺气体在沉积过程中以相互相反的方向流经所述热平坦区，从而改善沉积材料的晶片与晶片间的均匀性。
16.权利要求1-15中任一项的系统，其中所述一个或更多个气体入口包括两个布置在所述加热区的各自端的气体入口。
17.权利要求1-16中任一项的系统，所述系统包括储气库，所述储气库配置为临时贮存一定量的工艺气体并随后释放所贮存的工艺气体以快速增大所述工艺管内的压力。
18.权利要求1-17中任一项的系统，其中所述系统配置为使用在沉积过程中在所述工艺管中未经稀释的所述工艺气体。
19.权利要求1-18中任一项的系统，所述系统包括使用点净化器以使所述工艺气体的污染程度降低至ppb级。
20.权利要求1-19中任一项的系统，所述系统包括晶片支架，所述晶片支架配置为在沉积过程中支承近间距背对背立式排列的一对或更多对晶片，各对晶片的背表面之间的近间距小到足以减小所述背表面上的沉积厚度并且大到足以便于所述工艺管的抽空。
21.权利要求1-20中任一项的系统，所述系统包括一个或更多个具有相互间隔开的v-形槽组的晶片支架使其用于在沉积过程中支承近间距背对背立式排列的晶片，其中所述v-形槽组在相邻的v-形槽间具有各自不同的间距以便能够选择所需的晶片间距而在所述晶片的所述背表面上提供相应的沉积厚度并由此在各个晶片的相反面间提供相应的应力不对称性。
22.权利要求1-21中任一项的系统，其中所述系统配置为在保持所述至少一个样品在所述工艺管内和真空下的同时沉积具有各自相反的掺杂极性的半导体的相继层。
23.权利要求1-22中任一项的系统，其中所述系统中的气体流动通过质量流量控制器经由多个气体歧管和多个旁路抽吸装置来控制以使多个工艺气体流中的每一个能够在绕行所述工艺管的同时独立地稳定化，然后再将经稳定的工艺气体流切换到所述工艺管中。
24.权利要求1-23中任一项的系统，其中所述材料为碳化硅。
25.权利要求24的系统，其中所述材料为碳化硅，并且所述至少一个样品为至少一个单晶硅晶片，所述碳化硅为外延沉积在所述至少一个单晶硅晶片上的器件质量的单晶碳化硅。
26.一种化学气相沉积工艺，所述工艺包括：
将样品置于由碳化硅构造而成、用硅浸渍并涂布有碳化硅的工艺管中；
将所述工艺管抽成高真空；
加热所述工艺管并且由此加热所述工艺管内的所述至少一个样品；以及
向抽空并受热的所述工艺管中引入一种或更多种工艺气体以通过化学气相沉积使材料沉积到所述工艺管内的经加热的所述至少一个样品上。
27.权利要求26的工艺，其中所述高真空为处于10-6mBar范围内或以下。
28.权利要求26或27的工艺，其中在沉积过程中，所述工艺管从各自端同时抽吸，并且所述一种或更多种工艺气体从所述工艺管内基本恒温的热平坦区的各自端被同时引入所述热平坦区中以改善沉积材料的晶片与晶片间的均匀性。
29.权利要求26或27的工艺，其中所述材料沉积到所述工艺管内的基本恒温的热平坦区中的所述至少一个样品上，并且所述材料沉积为所述材料的一对或更多对相继层，其中在沉积每一对相继层的过程中通过所述热平坦区中的净气体流处于相互相反的方向来改善沉积材料的晶片与晶片间的均匀性。
30.权利要求26-29中任一项的工艺，所述工艺包括向所述工艺管中释放一定量所贮存的工艺气体以快速增大所述工艺管内的压力。
31.权利要求26-30中任一项的工艺，其中所述一种或更多种工艺气体在沉积过程中不经稀释地用于所述工艺管中。
32.权利要求26-31中任一项的工艺，其中所述至少一个样品包括多个晶片，并且所述工艺包括在沉积过程中支承近间距背对背立式排列的所述晶片，各对晶片的背表面之间的间距小到足以减小所述晶片的所述背表面上的沉积厚度并且大到足以便于所述工艺管的抽空。
33.权利要求26-31中任一项的工艺，其中所述至少一个样品包括多个晶片，并且所述工艺包括在沉积过程中支承相互间隔排列的所述晶片，使得所述材料基本同等地沉积在各个晶片的两面上从而在其上提供基本相等的应力。
34.权利要求26-33中任一项的工艺，所述工艺包括在保持所述至少一个样品在所述工艺管内和真空下的同时沉积具有各自相反的掺杂极性的半导体的相继层。
35.权利要求26-34中任一项的工艺，其中所述材料为碳化硅。
36.权利要求26-35中任一项的工艺，其中所述至少一个样品包括至少一个单晶硅晶片，并且所述材料为外延沉积在所述至少一个单晶硅晶片上的器件质量的单晶碳化硅。
37.一种化学气相沉积系统，其具有配置用于实施权利要求26-36中任一项的工艺的部件。
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