CN115287760A - 高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法，其特征在于包括以下步骤：将晶种面向下设置在反应腔内的载置台，控制载置台的高度使得晶体生长过程中晶体生长表面的高度始终保持恒定；气体从反应腔底部导入反应腔顶部排出；反应腔内不同区域设置为不同的温度，从底部到顶部温度逐渐降低。本发明能够精确控制反应条件，实现高产能低缺陷的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体。

Description

高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法及其装置
技术领域
本发明涉及半导体工艺及设备领域，尤其是高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法及其装置。
背景技术
现有技术中采用高温气源方法的反应器如图1所示。在图1中，晶种11面向下设置在基座12，晶体向下生长。反应室底部有石墨坩埚13，石墨坩埚13中间设有通孔14供源气体通入。反应室外部设有射频感应线圈15。反应室壳体16由热绝缘材料制作。晶体下方的反应室为裂解区17，温度较高，而晶体表面温度相对较低。反应器的加热区用射频感应线圈15加热。从反应器底部引入了源气体硅烷和丙烷，以及载体气体氢气。在石墨坩埚13底部测量温度，并且控制在2400-2500℃。在这样的条件下，通过计算机模拟估计裂解区17高达2600℃以上。这将加速源气体的热分解。制备了4度离角、直径4英寸的4H-SiC C面基底作为晶种11，并将其固定在表面朝下的基座12上。晶种11温度被控制在比裂解区更低，并在晶种上生长。
另一现有技术中实施例中，采用氢气、硅烷、丙烷气体系统，在种子温2500-2550C，硅烷分压9-11千帕，C/Si比为0.90-1.00，在直径2或3.5英寸的4度离角、4H-SiC C面晶种上进行快速4H-SiC晶体生长。在晶体生长的早期阶段，晶体的中心附近没有增加位错密度，而贯通螺位错TSD、贯通刃位错TED和基面位错BPD密度在晶体生长方向不断减少，在厚度3.6毫米处较晶种处(即厚度0处)相比是小于1/2、1/10和1/20，此外还证实了在晶体的1/2半径和外围附近的区域，沿生长方向的TED和BPD密度显著降低。BPD密度的显著降低表明，晶体在生长过程中没有遭受任何重大的热应力。
虽然有以上的现有技术可以有效地减少晶格位错，实现高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体生长，但是这样的装置和方法很难精确统筹控制反应条件。
因此提供一种能够精确控制反应条件，实现高产能低缺陷的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体生长方法及其反应装置是一个急需解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于基于上述问题而提供一种能够精确控制反应条件，实现高产能低缺陷的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体生长方法及其反应装置。
为了实现这一目的本发明提供了高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的装置，包括反应腔和设置在反应腔中的载置台，其特征在于，载置台可以上下移动并旋转，晶种面向下设置在载置台，反应腔环绕可移动电感射频线圈感应加热反应腔内部具有碳化钽或碳化硅涂层的石墨筒作为加热器，通过改变线圈的疏密度来调整设置反应腔内不同区域的温度；反应腔顶端设有排气通道，反应腔底部设有气体导入部。
其中所述的反应腔的外壳采用双层水冷石英管以起到控制腔内温度的作用。所述的反应腔内壁还设有筒状加热器。反应腔内还设有热传感器用于测量所需的不同区域温度参数。反应腔排气通道与减压系统相连。
气体导入部呈漏斗状，漏斗上设置放射状狭缝，狭缝的截面形状为平行四边形。气体导入部设有中心喷嘴，中心喷嘴具有一定的高度，位置高于漏斗最大开口。
本发明的另一目的在于提供一种能够精确控制反应条件，实现高产能低缺陷的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体生长方法。为了实现这一目的，本发明提供了高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法，包括以下步骤：将晶种面向下设置在反应腔内的载置台，控制载置台的高度使得晶体生长过程中晶体生长表面的高度始终保持恒定；气体从反应腔底部导入反应腔顶部排出；反应腔内不同区域设置为不同的温度，从底部到顶部温度逐渐降低。
其中，反应腔环绕可移动电感射频线圈感应加热反应腔内部具有碳化钽或碳化硅涂层的石墨筒作为加热器，通过改变线圈的疏密度来调整设置反应腔内不同区域的温度。气体从反应腔底部导入时晶体生长气体从中心喷嘴供应，中心喷嘴具有一定的高度使导入的晶体生长气体处于反应腔内温度较反应腔底部低的区域，晶体生长气体的分解反应受到抑制。
进一步地，晶体生长气体中：硅源气体是下列物质的一种或组合，单硅烷、二硅烷、三硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯四烷、三甲基硅烷；碳源气体是下列物质的一种或组合，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。
优选地，晶体生长气体是硅烷、丙烷；氢、氩或氦用作载体气体；氩或氦用作吹扫气体；氮气用作N型掺杂剂；三甲基铝用作P型掺杂剂；氢气或氩气或氦气用作三甲基铝的载气。
本发明的有益效果是，解决了现有的目前市场上的碳化硅外延反应装置性能参数控制不够理想的问题。实现产能通量高，晶格位错缺陷少，提高了良率。本发明可以较佳地控制其工艺质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术的原理图；
图2为本发明碳化硅晶体生长装置的剖面结构示意图；
图3为本发明的气体导入部剖面结构示意图；
图4为本发明的气体导入部示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。
首先请参照图2，图2为本发明碳化硅晶体生长装置的结构示意图。如图2所示，本发明碳化硅晶体生长装置包括反应腔2和设置在反应腔2中的载置台1。晶种5面向下设置在可以上下移动并旋转的载置台1上，晶体向下生长。反应腔2顶端设有排气通道3。反应腔2的外壳采用双层水冷石英管6以起到保持腔内温度的作用。反应腔2环绕可移动电感射频线圈4感应加热反应腔内部具有碳化钽或碳化硅涂层的石墨筒7作为加热器，通过改变线圈的疏密度来调整设置反应腔内不同区域的温度。在双层水冷石英管6和石墨筒7之间还设有隔热筒9。反应腔2内各处还设有热传感器8用于测量所需的各种温度参数。
在可移动电感射频线圈4中，可以通过线圈的疏密度来构建温度分布。排气通道3与减压系统(干泵)相连，在减压、近常压(Sub atmospheric)下可以结晶生长。晶体生长气体是硅烷(SiH4)、丙烷(C3H8)，氢、氩或氦用作载体气体，氩或氦用作吹扫气体。氮气用作N型掺杂剂，三甲基铝(TMA)用作P型掺杂剂。氢气或氩气或氦气用作TMA的载气。在一个实施例中晶体生长气体中：硅源气体是下列物质的一种或组合，单硅烷、二硅烷、三硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯四烷、三甲基硅烷；碳源气体是下列物质的一种或组合，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。
另外，通过晶体生长表面温度的设定，其载置台1的高度被自动控制。或者，自动控制晶体生长过程中晶体生长表面的高度始终保持恒定。采用双层水冷式石英管6从4个方向或8个方向向支撑其的歧管(Manifold)导入冷却水。
晶体生长温度Tc由W，Th，L，P，Gt，Gs，Gc，Gh等作为参数，这些温度由人工智能进行过程控制。人工智能控制器控制着各种传感器来监控调整参数，同时也控制着各种设备来调整参数，例如控制冷却水泵的开关程度、高频波输出、结晶面位置的马达、排气速度或者排气泵的开关程度、气体质量流量控制器等等。
其中，Tc：晶面温度(摄氏度)，W：冷却水流量(升每分钟)；Th：加热器温度(摄氏度)，L：晶面位置(厘米)；P：炉内压力(托)；Gt：总气体流量(升每分钟)；Gs：硅烷流量，Gc：丙烷流量，Gh：氢气流量。
接下来请参考图3，图3为本发明的气体导入部剖面结构示意图。图3中气体导入部21呈漏斗状，为了避免可移动电感射频加热线圈4引起的发热，漏斗上加入了放射状狭缝22。其狭缝22的截面形状为平行四边形。硅烷从中心喷嘴23供应。原料气体的引进方式只有硅烷从远离可移动电感射频加热线圈4的中心喷嘴23流出。此外，中心喷嘴23具有一定的高度，位置高于气体分散喷嘴即漏斗口的最大开口。这个中心喷嘴23使硅烷的分解反应受到抑制。图3的实施例中硅烷、氢气和氩气从中心喷嘴导入，而丙烷、氢气、氩气和TMA从漏斗底部导入。
请参考图4，图4是本发明的气体导入部示意图。图4中可以看到漏斗壁上有截面形状为平行四边形的放射状狭缝22。图4中仅示出一个，在一些实施例中可以有多个这个的狭缝22。中心喷嘴23具有一定的高度，位置高于漏斗口的上沿。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可以容易实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里展示和描述的图例。

Claims (11)

1.高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法，其特征在于包括以下步骤：将晶种面向下设置在反应腔内的载置台，控制载置台的高度使得晶体生长过程中晶体生长表面的高度始终保持恒定；气体从反应腔底部导入反应腔顶部排出；反应腔内不同区域设置为不同的温度，从底部到顶部温度逐渐降低。
2.如权利要求1所述的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法，其特征在于反应腔环绕可移动电感射频线圈感应加热反应腔内部具有碳化钽或碳化硅涂层的石墨筒作为加热器，通过改变线圈的疏密度来调整设置反应腔内不同区域的温度。
3.如权利要求1所述的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法，其特征在于气体从反应腔底部导入时晶体生长气体从中心喷嘴供应，中心喷嘴具有一定的高度使导入的晶体生长气体处于反应腔内温度较反应腔底部低的区域，晶体生长气体的分解反应受到抑制。
4.如权利要求1所述的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法，其特征在于晶体生长气体中：硅源气体是下列物质的一种或组合，单硅烷、二硅烷、三硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯四烷、三甲基硅烷；碳源气体是下列物质的一种或组合，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。
5.如权利要求1所述的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的方法，其特征在于晶体生长气体是硅烷、丙烷；氢、氩或氦用作载体气体；氩或氦用作吹扫气体；氮气用作N型掺杂剂；三甲基铝用作P型掺杂剂；氢气或氩气或氦气用作三甲基铝的载气。
6.高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的装置，包括反应腔和设置在反应腔中的载置台，其特征在于，载置台可以上下移动并旋转，晶种面向下设置在载置台，反应腔环绕可移动电感射频线圈感应加热反应腔内部具有碳化钽或碳化硅涂层的石墨筒作为加热器，通过改变线圈的疏密度来调整设置反应腔内不同区域的温度；反应腔顶端设有排气通道，反应腔底部设有气体导入部。
7.如权利要求6所述的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于所述的反应腔的外壳采用双层水冷石英管。
8.如权利要求6所述的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于所述的反应腔内还设有热传感器用于测量所需的不同区域温度参数。
9.如权利要求6所述的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于所述的反应腔排气通道与减压系统相连。
10.如权利要求6所述的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于所述的气体导入部呈漏斗状，漏斗上设置放射状狭缝，狭缝的截面形状为平行四边形。
11.如权利要求10所述的高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体的装置，其特征在于所述的气体导入部设有中心喷嘴，中心喷嘴具有一定的高度，位置高于漏斗最大开口。
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