CN103173737B - 碳化硅化学气相外延载物台装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化学气相沉积领域，具体涉及一种碳化硅化学气相外延载物台装置，该装置是分体式载物台装置，包括船型石英舟、石英托垫和石墨板。其中，船型石英舟前端为倾斜面，该倾斜面后为下凹平台面；石英托垫放置于石英舟下凹平台面上；石墨板放置于石英托垫上。本发明所述分体式载物台装置可用在水平式化学气相沉积反应室内，通过感应加热石墨板。本发明的优势在于：①沉积反应的气体流场和源物质分布均匀，气流扰动小；②对于大面积衬底，可以优化外延膜厚均匀性；③分体式设计可以降低使用成本并增加应用灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及化学气相沉积领域，涉及一种碳化硅晶片化学气相外延载物台装置；本发明具体涉及一种分体式载物台装置，该装置包括船型石英舟、石英托垫和石墨板。
背景技术
碳化硅(SiC)是一种第三代宽禁带半导体。和硅(Si)相比，SiC具有宽禁带和低本征载流子浓度，因此在很高温度下也能保持半导体特性，从而使SiC基半导体器件可以在更高的温度下工作。此外，SiC的高击穿场强、高热导率以及高的结工作温度使得SiC器件可以实现高功率密度和高效率。因此，SiC晶体材料的发展及其在半导体产业中的应用将对电子信息产业技术的发展产生重要影响。
目前获得大尺寸碳化硅晶片的途径主要是通过物理气相传输法(PVT法)生长得到碳化硅晶锭，通过切割晶锭获得SiC晶片。通过这种方法获得的商业晶片晶面一般是(0001)Si面/(000)C面，或是偏离基平面一定角度，并且具有一定的掺杂浓度。在低于1800℃时，大部分掺杂质在SiC晶体中的扩散系数非常小，因此SiC器件的结稳定性很好。器件在高温下长时间工作时，掺杂质的这种扩散是需要尽量避免的。不过这个特性也使得传统的离子注入工艺(一种大规模应用在Si微电子器件制备的非常有用的技术)很难应用在SiC图形化掺杂中。
为了获得一定厚度，特定掺杂类型和浓度的高质量SiC功能层，通过化学气相沉积(CVD)进行外延是目前产用的主流方法。SiC的化学气相外延一般需要高达1500℃的高温，通过载气氢气(H2)将含有硅和碳组分的源气体以及掺杂质源输送进反应室内。源物质在反应室内高温裂解后在SiC衬底上进行沉积生长获得所需外延膜。
SiC外延用的CVD设备是一个复杂系统，对于常见的水平式冷壁CVD系统而言，系统一般由起源系统、反应室、加热系统、尾气系统以及控制系统等组成。水平式冷壁CVD的反应室通常是圆形的石英管(可能有一定形状改进)。SiC外延的一般工艺对载物台的设计有一些基本要求，首先，载物台需对H2以及其它源气体高温下化学惰性；其次，载物台能够通过感应加热的方式进行加热以使反应进行；最后，载物台的设计应考虑能够在一定的工艺条件下得到最优的外延膜的质量。这些特殊要求使得SiC外延用的载物台相对于普通的CVD载物台设计有一些特别考虑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的，能够极大提高外延膜质量的，大面积的SiC晶片外延所需的载物台装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种分体式载物台，它包括：船型石英舟、石英托垫和石墨板；其中，所述船型石英舟前端为倾斜面，该倾斜面后设置下凹平台面；所述石英托垫放置于所述下凹平台面上；所述石墨板放置于石英托垫上。
在本发明一个实施方式中，所述船型石英舟前端是具有10°-20°的角度的斜坡面。所述船型石英舟在斜坡面后是一个平台面，此平台位置较低。在一个实施方式中，在所述船型石英舟平台面的前后端分别设置凸起的小石英柱，该石英柱的直径为3mm，高度2-3mm。
在本发明一个实施方式中，所述石英托垫为石英玻璃板，所述石英玻璃板的大小与船型石英舟平台面匹配。所述石英托垫前后端设置有半圆形定位缺口，该定位缺口的大小和位置与船型石英舟上的小石英柱匹配。所述石英托垫的前后端分别设置凸起支撑；其中，前端支撑低于后端支撑；所述凸起支撑的高低使其上放置的石墨板的上表面与石英舟前端倾斜面处于同一平面。
在本发明一个实施方式中，所述石英托垫的前端支撑为台阶状，以固定石墨板。在本发明优选的实施方式中，所述石英托垫的前后端设置4个凸起支撑，其中，前端2个支撑低于后端2个支撑；所述凸起支撑的高低使其上放置的石墨板的上表面与石英舟前端倾斜面处于同一平面。
在本发明一个实施方式中，所述船型石英舟与石英托垫均为高纯石英，其指标不低于美国GE214透明熔凝石英。
在本发明一个实施方式中，所述石墨板上表面四周高于中间区域，在此形成放置衬底的区域，其中，四周与中间区域的高度差与衬底厚度相当。所述石墨板为高纯石墨压制形成的硬质块体，该硬质块体任选涂覆有碳化硅或碳化钽。
在本发明中，船型石英舟由高纯石英玻璃整体雕刻或焊接而成，其底部为圆形，以利于和石英管紧密接触，利于散热。船型高纯石英舟前半端为光滑的斜面，斜面倾角在10°-20°之间，以利于气流平滑向上流动，提供一特定气流场。船型高纯石英舟斜面后是一凹下去的水平台面，此平台面上放置配套石英托垫。船型高纯石英舟水平平台面上设计有2个凸起石英柱，用于固定高纯石英托垫。船型高纯石英舟后端设计有横杆，利于在石英管内拖动。
石英托垫主体是一光滑石英玻璃板，四角设计有4根石英柱，用于支撑石墨板。其中，4根石英柱的前面2根有如图4所示的特殊设计，以方便固定石墨板。4根石英柱的高度需满足石墨板上表面与石英舟斜面在同一平面上。
石墨板上表面四周有0.5-1mm的凸起，以防止晶片滑移出石墨板表面。石墨板表面可视需求涂覆一定厚度的SiC或TaC，以降低石墨板杂质过多挥发，形成高的背底掺杂浓度。
本发明所述分体式载物台装置可用在水平式化学气相沉积反应室内，通过感应加热石墨板。相比现有技术，本发明的优势在于：
①沉积反应的气体流场和源物质分布均匀，气流扰动小；
②对于大面积衬底，可以优化外延膜厚均匀性；
③分体式设计可以降低使用成本并增加应用灵活性。
附图说明
以下附图说明了本发明的船型高纯石英舟。
图1：船型高纯石英舟侧视图。
图2：船型高纯石英舟俯视图。
图3：石英托垫俯视图。
图4：石英托垫侧视图。
图5：石墨板俯视图。
图6：石墨板断面侧视图。
图7：组合后的分体式载物台示意图。
图8：SiC同质外延膜表面的光学照片。
图9：Si衬底表面3C-SiC异质外延膜照片。
附图标记：1、石英舟底；2、石英舟倾斜面；3、水平平台；4、石英柱；5、横杆；6、石英托垫；7、前端支撑；8、后端支撑；9、半圆缺口；10、石墨板；11、石墨板边。
具体实施方式
以下参照两个实施例来说明本发明。然而本发明可以以多种不同形式体现出来，而不应当理解为受限于在此给出的实施例；恰恰相反，提供这些实施例是为了使公开更加彻底和完备，以便将本发明的范围完全传递给本领域的技术人员。
此外，本组合型载物台的尺寸没有特别的限制，可以根据所使用的反应室尺寸以及衬底大小等比例调整。
实施例1
以水平式常压CVD系统进行SiC的同质外延为例。在此实施例中，采用8°偏向<11-20>的4H-SiC作为衬底材料，以H2为载气，硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)分别为硅源和碳源气体。
在准备阶段，首先将石英舟与石英托垫在硝酸和氢氟酸的混合溶液中浸泡2-3小时，然后用去离子水冲洗，最后用高纯N2吹干备用。将涂覆有SiC的石墨板用分析纯乙醇超声清洗后，去离子水冲洗，高纯N2吹干。将载物台三部分按照图示7配合在一起，将清洗后的洁净衬底晶片放在石墨板上。将载物台放入反应腔内。
生长工艺：首先在1350℃用H2对衬底SiC晶片进行腐蚀处理，去除表面损伤；然后升温至1500℃通入SiH4和C3H8气体进行外延生长。反应进行1小时后切断源气体及加热电流。待系统降至室温后取出载物台得到外延后的晶片。
图8是外延后晶片表面的NDIC(偏振微分干涉显微镜)图片。从图8中可以看出，使用此载物台得到几无表面缺陷的外延膜。
实施例2
本实施例使用本发明载物台进行Si衬底表面异质外延3C-SiC。仍然使用H2为载气，硅烷和丙烷为源气体；通过感应电流加热石墨板。载物台的预处理与实施例1相同。
生长工艺：首先快速升温在1300℃并通入C3H8进行碳化处理得到一定厚度的SiC缓冲层；然后在1200℃时通入SiH4和C3H8气体进行3C-SiC的外延生长。因为此实施例中载物台尺寸设计为满足2英寸的衬底，因此将一块洁净的5cm×5cm的Si衬底置于石墨板上。生长一小时后，切断源气体及加热电流。待系统降至室温后取出载物台得到外延后的晶片。
图9为外延后的大块晶片的照片。可以看出，得到了大面积的光亮的外延膜，并且从条纹密度可以看出，大面积外延膜具有较低的膜厚不均匀性。
Claims (10)
1.一种碳化硅化学气相沉积设备使用的分体式载物台，它包括：船型石英舟、石英托垫和石墨板；其中，所述船型石英舟前端为利于气流平滑向上流动的倾斜面，该倾斜面后设置下凹平台面；所述石英托垫放置于所述下凹平台面上；所述石墨板放置于石英托垫上；
所述石英托垫的前后端分别设置凸起支撑；其中，前端支撑低于后端支撑；所述凸起支撑的高低使其上放置的石墨板的上表面与石英舟前端倾斜面处于同一平面。
2.根据权利要求1所述的分体式载物台，其特征在于，所述船型石英舟前端是具有10°-20°的角度的倾斜面。
3.根据权利要求2所述的分体式载物台，其特征在于，在所述船型石英舟平台面的前后端分别设置凸起的小石英柱，该石英柱的直径为2-4mm，高度2-3mm。
4.根据权利要求1所述的分体式载物台，其特征在于，所述石英托垫为石英玻璃板，所述石英玻璃板的大小与船型石英舟平台面匹配。
5.根据权利要求4所述的分体式载物台，其特征在于，所述石英托垫前后端设置有半圆形定位缺口，该定位缺口的大小和位置与船型石英舟上的小石英柱匹配。
6.根据权利要求5所述的分体式载物台，其特征在于，所述石英托垫的前端支撑为台阶状，以固定石墨板。
7.根据权利要求5所述的分体式载物台，其特征在于，所述石英托垫的前后端设置4个凸起支撑，其中，前端2个支撑低于后端2个支撑；所述凸起支撑的高低使其上放置的石墨板的上表面与石英舟前端倾斜面处于同一平面。
8.根据权利要求1所述的分体式载物台，其特征在于，所述船型石英舟与石英托垫均为高纯石英，其各项指标等于或高于美国GE214标准。
9.根据权利要求1所述的分体式载物台，其特征在于，所述石墨板上表面四周高于中间区域，在此形成放置衬底的区域，其中，四周与中间区域的高度差与衬底厚度相当。
10.根据权利要求9所述的分体式载物台，其特征在于，所述石墨板为高纯石墨压制形成的硬质块体，该硬质块体任选涂覆有碳化硅或碳化钽。
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