CN103603048A - 一种用于生产碳化硅外延片的化学气相沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改进碳化硅外延片均匀性的方法，可用来生长厚度均匀的碳化硅外延片。通过在反应腔体的气流下方安装气流阻挡环，然后将碳化硅衬底置于支撑台上，再将反应腔体内加热到外延所需温度，通入反应气体和载气，最终在碳化硅衬底上形成碳化硅外延层。本发明获得的碳化硅外延片厚度更均匀，且装置简单，为改善传统设备最可行和最为廉价的方法，不需要过多的成本投入，利于工业化生产。
Description
【技术领域】
本发明属于化学气相沉积领域，具体讲涉及一种用于生产碳化硅外延片的化学气相沉积设备。
【背景技术】
碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料，具有宽带隙、高临界击穿电场、高导热率、高载流子饱和漂移速度等特点，特别适合制作高温、高压、大功率电力电子等半导体器件，对混合电力汽车、电动汽车、太阳能逆变器以及智能电网等行业的发展具有非常重要的意义。
碳化硅材料的制作，无论是晶体生长还是外延生长都是不易的，生长高质量的外延片更是对工艺一种挑战。传统的化学气相沉积法生长碳化硅外延时反应腔体、反应腔体的洁净度及其他工艺参数（温度、压强、反应气体流速等）都会对碳化硅外延层的质量（表面缺陷、掺杂浓度、浓度均匀性、外延层厚度、厚度均匀性等）产生影响。其中外延片的厚度均匀性及外延层的厚度都会直接影响最终器件的性能，因而厚度均匀性及外延片的厚度被视为外延片质量的重要指标。在外延生长中影响厚度均匀性及外延片的厚度的参数有：反应腔体构造，反应腔体中温度的分布，反应腔体中气流流量的大小，反应腔体中各个部位气体浓度的分布情况等。如图1所示的传统水平气相沉积设备，在外延生长时，由于在反应过程中，反应气体源通过反应腔体时，存在“耗尽”现象，即反应气体平行于衬底流动时，在气流的流入方向浓度较大，由于“消耗”现象在气流的流出方向浓度较小，于是在衬底表面靠近气流流入方向的外延层会更厚而在靠近气流流出方向的外延层会较薄。这种不均匀性对器件制造造成很大的影响，尤其是较厚的外延层。
专利号为ZL98812328.2，发明名称为生长非常均匀的碳化硅外延层的专利中公开了一种改良的化学气相沉积方法，将反应器加热到碳化硅原料气体在反应器内基体上形成外延层的温度，让原料气体和载气流过加热的反应器在基体上形成碳化硅外延层，同时载气包括氢气和第二种气体的混合气体，其中第二种气体的热导要低于氢气热导，使得原料气体在通过反应器时它的消耗比使用单一氢气作载气时的更低，但是其操作工艺复杂，并且要增加额外的气体源，使得制造成本增加。近年来，在低压器件方面碳化硅外延技术已经很成熟，而在高压器件方面的碳化硅厚外延技术仍然存在许多不足，如由于均匀性和表面缺陷的问题难以实现较厚的碳化硅外延层；生长速率太低，导致生长高压器件所需的厚碳化硅外延片的成本过高。
【发明内容】
为获得均匀性良好的碳化硅外延片，本发明提供了一种用于生长碳化硅外延片的化学气相沉积设备，通过改进腔体结构，在其中增设气流阻挡环，将反应腔体内加热到外延生成所需的温度，再通入反应气体和载气，碳化硅衬底上最终形成碳化硅外延层。增设的气流阻挡环可以相对提高气流流出区域内反应气体的浓度，来弥补“消耗”现象造成的厚度较小问题以实现碳化硅外延生长厚度均匀的目的。
本发明的一种化学气相沉积设备，设备腔体由内向外依次为石墨支撑台、石墨软毡层、石英壁层和加热感应线圈，设备腔体还包括固定于石墨支撑台上气流阻挡环。
本发明的设备，其中，阻挡环形状为弧形，弧形阻挡环的宽0.8～1.2cm（如图8所示），本发明中采用的碳化硅衬底的形状为圆形，设置的弧形阻挡环的半径比衬底晶片的半径大1～1.5cm，阻挡环的弧度采用90～180度。
本发明的设备，其中，阻挡环为石墨阻挡环，使得阻挡环在1500℃～1700℃下，稳定性好，不发生形变、软化现象，保证了阻挡环区域内的气体浓度的稳定，阻挡环为高纯石墨时，可以减少杂质对碳化硅外延生长的影响。
本发明的设备，其中，阻挡环接触支撑台，通过石墨螺丝直接加固于石墨支撑台上，阻挡环的设置高度为0.3～0.7cm，对气流的阻力均衡，不产生涡流，保证了气流的稳定。
将本发明的设备用于外延片的生产中，特别是碳化硅外延片。
本发明的设备，其中，阻挡环的表面镀有碳化硅或碳化钽镀层，以阻止石墨中的杂质向反应腔体里扩散。
本发明提供的化学气相沉积设备，解决了碳化硅外延层气流流入方向和流出方向厚度不均的问题，改进碳化硅外延生长的反应腔体，在腔体内的气流流出方向安装一个气流阻挡环，通过阻挡环的作用来提高气流流出方向区域内反应气体的浓度，来弥补“消耗”现象造成的厚度较小的问题。
与现有技术相比，本发明克服了传统反应源因在气流方向上的“耗尽”现象而产生的气流上方厚度较厚和气流下方厚度较小问题。通过阻挡环的作用使得气流下方气体源浓度增大，使得气流下方的厚度接近上方厚度，由于减小了上方和下方的厚度差，使得均匀性变得更小，碳化硅外延层厚度变得更加均匀，整体制得的外延片的厚度均匀性由1.9～2.5%降低至1～1.4%；本发明还有一优势是：在使用中经济、简单并且不造成过多的成本投入。
传统化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）法，碳化硅外延一般采用该方法一般工艺流程是：先将碳化硅衬底装入反应腔体内，然后往反应腔体内通入惰性气体（一 般为H2气），并使腔体内维持一定的压力，再对反应腔体进行加热，一般要加热至1500℃以上，再通入反应气体源（比如：SiH4作为硅源，C2H4作为碳源，H2一般为载气），在此条件下，会在碳化硅衬底上沉积一层碳化硅薄膜，即是外延层，最后冷却。如图2所示，本发明所述的反应腔体为圆柱形，由里到外，依次为：石墨支撑台4，用于支撑碳化硅衬底5，可以防止石墨软毡层3在高温下分解对腔体产生污染，石墨支撑台4四周由石墨软毡层3包裹，作为保温层和感应线圈1一并用于维持反应腔体内碳化硅外延生长所需的温度条件，石墨软毡层3外面是石英壁层2，作为反应腔体壁，石英壁层2外面是一圈感应线圈1，为反应腔体提供热量，左边是进气口7，右边是出气口6，气流从反应腔体左端进来，经过高温区域并在被加热的碳化硅衬底上沉积一层碳化硅薄膜，即外延层，然后尾气从右端排出。实验时，先在常压下，将反应腔体内清理干净，然后放入碳化硅衬底5，在放置好阻挡环8，在抽真空，在充入氢气使腔体内压力维持在低压状态（20～60Torr），一般40Torr，开始加热，加热至1500℃～1550℃保持5～20分钟，通入氢气（2～20slm）和乙烷进行原位蚀刻，以清理表面的颗粒或损伤，通入乙烷的目的主要在于抑制过度刻蚀和抑制在刻蚀中的硅滴形成，然后在继续加热至1600～1700℃，通入反应气体源硅源SiH4等（2～50sccm）和碳源C2H4等（2～50sccm）以及掺杂剂进行外延生长，等生长到目标厚度即可切断反应源和电源开始冷却。利用傅里叶红外光谱分析仪（FTIR），沿气流方向测试试验点测试厚度，确定气流方向外延片的均匀性，试验结果见表1。
表1外延片厚度均匀性实验结果
| Point | 1 | 23 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 均匀性 | mean | 标准偏差 |
| 传统 | 7.86 | 7.817.8 | 7.75 | 7.74 | 7.68 | 7.65 | 7.57 | 7.5 | 7.41 | 2.95% | 7.677 | 0.145 |
| 实施例1 | 7.87 | 7.867.84 | 7.81 | 7.79 | 7.76 | 7.71 | 7.7 | 7.69 | 7.69 | 1.16% | 7.772 | 0.072 |
| 实施例2 | 7.88 | 7.877.84 | 7.82 | 7.78 | 7.75 | 7.69 | 7.67 | 7.66 | 7.66 | 1.42% | 7.762 | 0.088 |
【附图说明】
下面结合附图和实例进一步对本发明进行说明，
图1是传统水平式化学气相沉积法生长碳化硅外延片的示意图；
图2是本发明水平式化学气相沉积法生长碳化硅外延片的示意图；
图3本发明的俯视图（阻挡环弧度为180°）；
图4本发明的俯视图（阻挡环为90°），加测试点图；
图5测试点示意图；
图6实施一的结果图；
图7实施二的结果图；
图8为阻挡环宽度示意图；
其中：1-加热感应线圈，2-石英壁层，3-石墨软毡层，4-石墨支撑台，5-碳化硅衬底，6-气流出口，7-气流进口，8-阻挡环。
【具体实施方式】
实施例1
如图3所示，阻挡环的弧度为180度，宽度为0.9cm，设置高度为0.4cm，通过上述工艺流程，完成外延片的生长。在碳化硅衬底的对应气流方向上，间隔测量了10个点，点1对应气流上方，点10对应气流下方，得到测量结果如图5所示，实施例1得到的碳化硅外延片的厚度从2.13%降低到了0.97%。
实施例2
如图4所示，阻挡环的弧度为90度，宽度为1.0cm，设置高度为0.5cm时，通过上述工艺流程，完成外延片的生长。在碳化硅衬底的对应气流方向上，间隔测量了10个点，点1对应气流上方，点10对应气流下方，得到测量结果如图6所示，实施例2得到的碳化硅外延片的厚度均匀性从2.13%降低到了1.19%。
实施例3
石墨阻挡环的宽为0.8cm，高为0.3cm，半径比衬底晶片的宽度大1cm，弧度为100度时制得的外延片的厚度均匀性由2.16%降低到1.21%。
实施例4
石墨阻挡环的宽为1.0cm，高为0.5cm，半径比衬底晶片的宽度大1.2cm，弧度为110度时制得的外延片的厚度均匀性由1.99%降低到1.20%。
实施例5
镀有碳化硅石墨阻挡环的宽为1.2cm，高为0.7cm，半径比衬底晶片的宽度大1.5cm，弧度为150度时制得的外延片的厚度均匀性由2.16%降低到1.21%。
Claims (10)
1.一种化学气相沉积设备，设备腔体由内向外依次为石墨支撑台、石墨软毡层、石英壁层和加热感应线圈，所述设备腔体还包括固定于石墨支撑台上气流阻挡环。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述阻挡环形状为弧形。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述弧形阻挡环的宽0.8～1.2cm，半径比衬底晶片的半径大1～1.5cm，设置高度为0.3～0.7cm。
4.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述阻挡环的弧度为90～180度。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述阻挡环为石墨阻挡环。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述石墨阻挡环为高纯石墨。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述阻挡环通过石墨螺丝固定于支撑台上。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述设备用于生产碳化硅外延片。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述设备应用于外延片的生产中。
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于所述阻挡环的表面镀有碳化硅或碳化钽镀层。
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