CN117248275A - 碳化硅化学气相沉积外延方法和碳化硅外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅化学气相沉积外延方法和碳化硅外延片。碳化硅化学气相沉积外延方法包括如下步骤：提供前驱体和载气，前驱体包括生长气源，生长气源为甲基三氯硅烷、甲基二氯硅烷、甲基氯硅烷或者甲基硅烷；将生长气源和载气注入气体混合装置中，调节气体混合装置的温度，以使生长气源在相应温度下可被载气带出所述气体混合装置；以及根据预设的碳硅比调节生长气源的浓度，之后由载气带出的生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室，进行碳化硅外延层的生长。本发明技术方案的碳化硅化学气相沉积外延方法能够实现碳化硅化学气相沉积外延中的碳硅比和反应速率的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工领域，特别是涉及一种碳化硅化学气相沉积外延方法和碳化硅外延片。
背景技术
碳化硅（SiC）是一种具有优异性能的半导体材料，广泛应用于电子器件和光电子器件等领域。传统的碳化硅化学气相沉积（CVD）外延方法使用硅基和碳基化合物分开进行反应，其中硅源通常使用三氯化硅（TCS）或硅烷等气体，而碳源通常使用甲烷或硅烷。然而，传统的碳化硅化学气相沉积外延方法在控制碳硅比和反应速率方面存在一定的挑战。
为了解决传统碳化硅化学气相沉积外延中碳硅比和反应速率的控制问题，现有技术中已经提出了一些解决方案。其中一种方案是使用硅基和碳基化合物分开进行反应，通过精确控制两种化合物的比例来实现所需的碳硅比。另一种方案是改变反应条件，如温度、压力等，来调节反应速率和生长速率。
然而，传统碳化硅化学气相沉积外延方法中存在一些问题或限制。首先，使用硅基和碳基化合物分开进行反应的方法在气体流量精度和碳硅比控制方面要求较高，因为两种化合物需要在准确的比例下进行混合，这增加了设备和操作的复杂性。其次，传统方法中的反应速率和生长速率较低，导致效率不高。
因此，针对传统碳化硅化学气相沉积外延中的碳硅比和反应速率的控制问题，需要一种新的解决方案。
发明内容
基于此，有必要针对如何实现碳化硅化学气相沉积外延中的碳硅比和反应速率的控制的问题，提供一种碳化硅化学气相沉积外延方法和碳化硅外延片。
一种碳化硅化学气相沉积外延方法，包括如下步骤：
提供前驱体和载气，所述前驱体包括生长气源，所述生长气源为甲基三氯硅烷、甲基二氯硅烷、甲基氯硅烷或者甲基硅烷；
将所述生长气源和所述载气注入气体混合装置中，调节所述气体混合装置的温度，以使所述生长气源在相应温度下可被所述载气带出所述气体混合装置；以及
根据预设的碳硅比调节所述生长气源的浓度，之后由所述载气带出的所述生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室，进行碳化硅外延层的生长。
本发明技术方案的碳化硅化学气相沉积外延方法，生长气源同时提供碳源和硅源，通过生长气源的选择和对气体混合装置的温度调节，能够精确控制不同生长气源的温度和浓度，能够实现碳化硅化学气相沉积外延中的碳硅比和反应速率的精确控制，使反应过程更稳定和可控，同时提高了碳化硅化学气相沉积外延方法的效率。
在一个可行的实现方式中，根据预设的碳硅比调节所述生长气源的浓度的操作为：根据预设的碳硅比调节所述气体混合装置的温度，用以调节对应的所述生长气源的饱和蒸气压，以调节所述生长气源的浓度。
在一个可行的实现方式中，根据预设的碳硅比调节所述生长气源的浓度的操作中，所述生长气源为甲基三氯硅烷，所述气体混合装置的温度为20℃~25℃；或者所述生长气源为甲基二氯硅烷，所述气体混合装置的温度为15℃~25℃；或者所述生长气源为甲基氯硅烷，所述气体混合装置的温度为10℃~25℃；或者所述生长气源为甲基硅烷，所述气体混合装置的温度为0℃~8℃。
在一个可行的实现方式中，由所述载气带出的所述生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室的操作中，通过对所述生长气源进行加热处理，以使所述生长气源维持非冷凝状态；所述生长气源为甲基三氯硅烷，所述加热处理的温度为66℃~70℃；或者所述生长气源为甲基二氯硅烷，所述加热处理的温度为50℃~60℃；或者所述生长气源为甲基氯硅烷，所述加热处理的温度为30℃~50℃。
在一个可行的实现方式中，由所述载气带出的所述生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室的操作为：由所述载气带出的所述生长气源由压力控制器依次通过加热盘管和保温带通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室。
在一个可行的实现方式中，所述前驱体还包括氯化氢，所述氯化氢通过进气管道通入所述反应腔室，所述进气管道位于所述压力控制器远离所述气体混合装置的一侧。
在一个可行的实现方式中，所述气体混合装置为鼓泡器。
在一个可行的实现方式中，所述载气的流量为0.1SLM~2SLM。
在一个可行的实现方式中，所述载气为氢气。
一种碳化硅外延片，所述碳化硅外延片包括衬底和位于所述衬底上的外延层，所述外延层通过上述任一的碳化硅化学气相沉积外延方法制备得到。
本发明技术方案的碳化硅外延片中的外延层通过上述碳化硅化学气相沉积外延方法制备得到，碳化硅化学气相沉积外延方法中，生长气源同时提供碳源和硅源，通过生长气源的选择和对气体混合装置的温度调节，能够精确控制不同生长气源的温度和浓度，能够实现碳化硅化学气相沉积外延中的碳硅比和反应速率的精确控制，使反应过程更稳定和可控，同时提高了碳化硅化学气相沉积外延方法的效率。
附图说明
图1为本发明一实施方式的碳化硅化学气相沉积外延方法的流程图；
图2为一实施方式的碳化硅化学气相沉积外延设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1，本发明一实施方式的碳化硅化学气相沉积外延方法，包括如下步骤：
S10、提供前驱体和载气，前驱体包括生长气源，生长气源为甲基三氯硅烷、甲基二氯硅烷、甲基氯硅烷或者甲基硅烷。
其中，生长气源用于同时提供碳源和硅源。其中，甲基三氯硅烷又名三氯甲基硅烷，外文名为methyltrichlorosilane，化学式为CH3Cl3Si；甲基二氯硅烷又名二氯甲基硅烷，外文名为Dichloromethylsilane，化学式为CH4Cl2Si；甲基氯硅烷又名氯甲基硅烷，外文名为methylchlorosilane，化学式为CH5ClSi；甲基硅烷的外文名为Methylsilane incylinder，化学式为CH6Si。
在一个可行的实现方式中，载气的流量为0.1SLM~2SLM。载气的流量可以但不限于是0.1SLM、0.2SLM、0.3SLM、0.4SLM、0.5SLM、0.6SLM、0.7SLM、0.8SLM、0.9SLM、1SLM、1.1SLM、1.2SLM、1.3SLM、1.4SLM、1.5SLM、1.6SLM、1.7SLM、1.8SLM、1.9SLM或者2SLM。可以根据预设的的碳硅比调节载气的流量。
在一个可行的实现方式中，载气为氢气。需要说明的是，载气不限于氢气，还可以为其他可行的气体，例如氦气。
请一并参见图2，提供一实施方式的碳化硅化学气相沉积外延设备100，碳化硅CVD外延设备100包括气体混合装置110和反应腔室120。其中，生长气源和载气在气体混合装置110中进行混合，反应腔室120为碳化硅外延生长的腔室。
S20、将生长气源和载气注入气体混合装置中，调节气体混合装置的温度，以使生长气源在相应温度下可被载气带出气体混合装置。
步骤S20中，载气通过进气管道注入气体混合装置110中，生长气源根据使用时的状态采用相应适用的方式注入气体混合装置110中，本发明对此不做限制。进一步地，碳化硅化学气相沉积外延设备100还包括用于控制载气流量的流量控制器140。
在一个可行的实现方式中，气体混合装置110为鼓泡器（bubbler）。
进一步地，碳化硅CVD外延设备100还包括用于控制气体混合装置110的第一温度控制器130，第一温度控制器130通过控制气体混合装置110的温度以使生长气源在相应温度下可被载气带出气体混合装置110。
S30、根据预设的碳硅比调节生长气源的浓度，之后由载气带出的生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室，进行碳化硅外延层的生长。
其中，非冷凝状态指的是由载气带出的生长气源不存在重新冷凝在管道内壁的现象。
在一个可行的实现方式中，根据预设的碳硅比调节生长气源的浓度的操作为：根据预设的碳硅比调节气体混合装置110的温度，用以调节对应的生长气源的饱和蒸气压，以调节生长气源的浓度。本实施方式中，当生长气源为液态时，同时能够调节生长气源的气化率。
步骤S30中，根据不同生长气源的特性和需求，选择合适的温度范围进行鼓泡。其中，甲基三氯硅烷需要较高的温度，甲基二氯硅烷需要较低的温度，甲基氯硅烷和甲基硅烷则需要更低的温度。
在一个可行的实现方式中，根据预设的碳硅比调节生长气源的浓度的操作中，生长气源为甲基三氯硅烷，气体混合装置110的温度为20℃~25℃；或者生长气源为甲基二氯硅烷，气体混合装置110的温度为15℃~25℃；或者生长气源为甲基氯硅烷，气体混合装置110的温度为10℃~25℃；或者生长气源为甲基硅烷，气体混合装置110的温度为0℃~8℃。本实施方式中，对于不同的生长气源，气体混合装置110的温度范围不同，通过调节上述温度范围能够实现生长气源的气化。同时，对于上述温度范围的控制较为精确，能够精确的控制生长气源和载气的浓度，以实现对碳化硅化学气相沉积外延中的碳硅比和反应速率的精确控制。
进一步地，生长气源为甲基三氯硅烷，气体混合装置110的温度可以但不限于是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或者25℃；或者生长气源为甲基二氯硅烷，气体混合装置110的温度可以但不限于是15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或者25℃；或者生长气源为甲基氯硅烷，气体混合装置110的温度可以但不限于是10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或者25℃；或者生长气源为甲基硅烷，气体混合装置110的温度可以但不限于是0℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃或者8℃。当然，当生长气源不同时，气体混合装置110的温度均不限于此，还可以为其他可行的温度。
在一个可行的实现方式中，由载气带出的生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备100的反应腔室120的操作中，通过对生长气源进行加热处理，以使生长气源维持非冷凝状态；生长气源为甲基三氯硅烷，加热处理的温度为66℃~70℃；或者生长气源为甲基二氯硅烷，加热处理的温度为50℃~60℃；或者生长气源为甲基氯硅烷，加热处理的温度为30℃~50℃。
进一步地，生长气源为甲基三氯硅烷，加热处理的温度可以但不限于是66℃、67℃、68℃、69℃或者70℃；或者生长气源为甲基二氯硅烷，加热处理的温度可以但不限于是50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或者60℃；或者生长气源为甲基氯硅烷，加热处理的温度可以但不限于是30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃、40℃41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃、49℃或者50℃。
在一个可行的实现方式中，由载气带出的生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备100的反应腔室120的操作为：由载气带出的生长气源由压力控制器150依次通过加热盘管160和保温带170通入碳化硅化学气相沉积外延设备100的反应腔室120。其中，压力控制器140用于控制混合气体的压力，热盘管160和保温带170用于对生长气源进行加热处理，以使生长气源维持非冷凝状态。进一步地，加热盘管160的长度为1m~1.5m。
进一步地，碳化硅化学气相沉积外延设备100还包括用于控制热盘管160温度的温度控制器180。温度控制器180的位置不限于此，还可以位于热盘管160的外围或者一侧。
在一个可行的实现方式中，前驱体还包括氯化氢（HCl），氯化氢通过进气管道通入反应腔室120，进气管道位于压力控制器140远离气体混合装置110的一侧。生长气源、氯化氢和载气在进气管道中进一步混合，之后进入反应腔室120内进行反应。其中，氯化氢用于提高材料表面自由能，能够增快生长速率和反应速率。进一步地，氯化氢的流量为500SCCM~1000SCCM。可以根据预设的氯碳比选择合适的流量，进一步地，氯化氢的流量可以但不限于是500SCCM、600SCCM、700SCCM、800SCCM、900SCCM或者1000SCCM。当生长气源为甲基三氯硅烷时，氯化氢的流量可以相对小一些；当生长气源为甲基二氯硅烷时，氯化氢的流量可以稍大一点；当生长气源为甲基氯硅烷时，氯化氢的流量可以再大一点；当生长气源为甲基硅烷时，氯化氢的流量最大。
步骤S30中，反应腔室内进行碳化硅外延层的生长的操作中，根据需要调节载气进入气体混合装置110的流量、气体混合装置110的温度和加热盘管160的温度以控制反应速率和生长速率，同时控制外延生长的反应条件，如温度、压力等，以调节反应速率和生长速率。完成碳化硅CVD外延过程之后，能够得到具有所需性能的外延片，之后将反应腔室中的外延片取出，进行后续处理和分析。
本发明技术方案的碳化硅化学气相沉积外延方法，生长气源同时提供碳源和硅源，通过生长气源的选择和对气体混合装置的温度调节，能够精确控制不同生长气源的温度和浓度，能够实现碳化硅化学气相沉积外延中的碳硅比和反应速率的精确控制，使反应过程更稳定和可控，同时提高了碳化硅化学气相沉积外延方法的效率。
本发明技术方案的碳化硅化学气相沉积外延方法，通过使用不同的生长气源和自主调节温度的气体混合装置，简化了操作过程，降低了操作的难度和复杂性。同时减少了使用的流量控制器的数量，有效降低了外延设备的成本。
一实施方式的碳化硅外延片包括衬底和位于衬底上的外延层，外延层通过上述任一的碳化硅化学气相沉积外延方法制备得到。
本发明技术方案的碳化硅外延片中的外延层通过上述碳化硅化学气相沉积外延方法制备得到，碳化硅化学气相沉积外延方法中，生长气源同时提供碳源和硅源，通过生长气源的选择和对气体混合装置的温度调节，能够精确控制不同生长气源的温度和浓度，能够实现碳化硅化学气相沉积外延中的碳硅比和反应速率的精确控制，使反应过程更稳定和可控，同时提高了碳化硅化学气相沉积外延方法的效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种碳化硅化学气相沉积外延方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供前驱体和载气，所述前驱体包括生长气源，所述生长气源为甲基三氯硅烷、甲基二氯硅烷、甲基氯硅烷或者甲基硅烷；
将所述生长气源和所述载气注入气体混合装置中，调节所述气体混合装置的温度，以使所述生长气源在相应温度下可被所述载气带出所述气体混合装置；以及
根据预设的碳硅比调节所述生长气源的浓度，之后由所述载气带出的所述生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室，进行碳化硅外延层的生长。
2.根据权利要求1所述的碳化硅化学气相沉积外延方法，其特征在于，根据预设的碳硅比调节所述生长气源的浓度的操作为：根据预设的碳硅比调节所述气体混合装置的温度，用以调节对应的所述生长气源的饱和蒸气压，以调节所述生长气源的浓度。
3.根据权利要求1所述的碳化硅化学气相沉积外延方法，其特征在于，根据预设的碳硅比调节所述生长气源的浓度的操作中，所述生长气源为甲基三氯硅烷，所述气体混合装置的温度为20℃~25℃；或者所述生长气源为甲基二氯硅烷，所述气体混合装置的温度为15℃~25℃；或者所述生长气源为甲基氯硅烷，所述气体混合装置的温度为10℃~25℃；或者所述生长气源为甲基硅烷，所述气体混合装置的温度为0℃~8℃。
4.根据权利要求1所述的碳化硅化学气相沉积外延方法，其特征在于，由所述载气带出的所述生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室的操作中，通过对所述生长气源进行加热处理，以使所述生长气源维持非冷凝状态；所述生长气源为甲基三氯硅烷，所述加热处理的温度为66℃~70℃；或者所述生长气源为甲基二氯硅烷，所述加热处理的温度为50℃~60℃；或者所述生长气源为甲基氯硅烷，所述加热处理的温度为30℃~50℃。
5.根据权利要求1所述的碳化硅化学气相沉积外延方法，其特征在于，由所述载气带出的所述生长气源在非冷凝状态下通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室的操作为：由所述载气带出的所述生长气源由压力控制器依次通过加热盘管和保温带通入碳化硅化学气相沉积外延设备的反应腔室。
6.根据权利要求5所述的碳化硅化学气相沉积外延方法，其特征在于，所述前驱体还包括氯化氢，所述氯化氢通过进气管道通入所述反应腔室，所述进气管道位于所述压力控制器远离所述气体混合装置的一侧。
7.根据权利要求1所述的碳化硅化学气相沉积外延方法，其特征在于，所述气体混合装置为鼓泡器。
8.根据权利要求1所述的碳化硅化学气相沉积外延方法，其特征在于，所述载气的流量为0.1SLM~2SLM。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的碳化硅化学气相沉积外延方法，其特征在于，所述载气为氢气。
10.一种碳化硅外延片，其特征在于，所述碳化硅外延片包括衬底和位于所述衬底上的外延层，所述外延层通过权利要求1~9中任一项所述的碳化硅化学气相沉积外延方法制备得到。
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