CN1806069A - 碳化硅晶体的生长系统 - Google Patents
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Abstract
公开了在基底上生长碳化硅晶体的系统，该系统包括沿着轴延伸的腔室(1)，其中该腔室(1)具有独立的用于含碳气体和含硅气体的输入设备(2，3)，设置在腔室的第一终端区域(Z1)内的基底支撑设备(4)，设置在支撑设备(4)附近的废气输出设备(5)，和适于加热该腔室(1)至高于1800℃的温度的加热设备，对含硅气体的输入设备(2)进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使含硅气体进入腔室的第二终端区域(Z2)内，对含碳气体的输入设备(3)进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使碳和硅基本上在同时远离第一终端区域(Z1)和第二终端区域(Z2)的腔室的中心区域(ZC)内接触。
Description
本发明涉及如权利要求1所述的碳化硅晶体的生长系统。
针对在非常高的温度(高于1800℃)下生长质量适于在微电子工业中使用的碳化硅晶体，过去有多种提议。
首次和基本的提议由Nisshin Steel在1992年提出，它公开在欧洲专利EP554047中。Nisshin Steel的概念保证含硅和碳的反应气体一起混合，保证该气体混合物在高温下进入反应腔室，和保证混合的硅和碳在基底上沉积，从而使晶体生长。Nisshin Steel的实施装置实例提供在中间温度下的预备腔室，其中在所述腔室内形成固体碳化硅颗粒。
该概念在1995年被OKMETIC再次利用，在国际专利申请WO97/01658中公开了OKMETIC的解决方案。
第二种和基本的提议由Makarov在1999年提出，它公开于国际专利申请WO00/43577中。Makarov的概念保证含硅和碳的反应气体在高温下分别进入反应腔室并在基底附近接触，以便硅和碳直接沉积在基底上，从而使晶体生长。Makarov的发明提出了应当防止碳化硅沿着腔室壁沉积，因此保证碳化硅只在基底附近形成，即保证了晶体的生长。
在研究Makarov提出的解决方法中，人们意识到，从化学动力学和从流体动力学这两个角度考虑，该解决方案均是关键的。
本发明的目的是提供第三种和基本的提议，它不同于前述两种，且与之相比有所改进。
通过具有独立权利要求1所列特征的碳化硅晶体生长系统来实现这一目的。
作为本发明基础的概念是利用独立的输入设备使含碳的反应气体和含硅气体进入腔室，和使这些气体在远离生长基底的腔室中心区域接触。
浓度曲线和速度曲线因此基本上径向恒定(显然必然存在边缘效应)；在基底的整个截面上因此实现恒定的生长速度、均匀的晶体结构和均匀的化学组成。
在从属权利要求中列出了本发明的有利方面。
根据下述结合附图所作的说明，本发明将变得更清楚，其中：
图1是辅助理解对本发明教导的说明的示意性截面视图，
图2以简化的截面视图形式示出了本发明的第一个实施方案，和
图3以简化的截面视图形式示出了本发明的第二个实施方案。
根据本发明，在基底上生长碳化硅的系统包括沿着轴延伸的腔室；典型地，该轴直立；该腔室具有：
-独立的用于含碳气体和含硅气体的输入设备，
-在该腔室的第一终端区域内设置的基底支撑设备，
-在支撑设备附近设置的废气输出设备，
-适于加热该腔室至高于1800℃的温度的加热设备。
对所述含硅气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使含硅气体进入该腔室的第二终端区域；
对所述含碳气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使碳和硅基本上在同时远离第一终端区域和第二终端区域的腔室中心区域接触。
在图1中，腔室用1表示，由该腔室封闭的空间用10表示，含硅气体输入设备用2表示，含碳气体输入设备用3表示，基底支撑设备用4表示(基底装配在设备4上并用黑线表示)，废气输出设备用5表示，设备2的蒸发池(将在下面提及并描述)用21表示，设备2的中心芯(将在下面提及并描述)的两种可能的实施方案用22A和22B表示，腔室的第一终端区域的水平面指示用Z1表示，腔室的第二终端区域的水平面指示用Z2表示，和腔室的中心区域的水平面指示用ZC表示。此外，在图1中，用虚线示出了从设备2和3进入腔室的气体的象征性分布，和用链状线示出了该腔室的对称轴(但本发明系统的腔室不一定轴对称)。
通过以上所述系统的浓度曲线和速度曲线，至少在腔室的第一终端区域内基本上径向恒定(显然必然存在边缘效应)；因此在置于支撑设备上的基底的全部截面上实现恒定的生长速度、均匀的晶体结构和均匀的化学组成。
此外，由于含硅气体的输入区域远离与含碳气体混合的区域(中心区域ZC)，且由于该腔室处于非常高的温度下，因此在腔室的输入处或者在腔室的输入处的上游形成的任何液体硅颗粒蒸发，因此没有因碳与液体颗粒接触导致形成固体碳化硅颗粒的危险；这种固体碳化硅颗粒难以通过升华而破碎(尤其当它们较大时)，且由于它们若撞击其表面将不可弥补地破坏生长的晶体，因此非常危险。
最后，由于含硅气体的输入区域远离与含碳气体混合的区域(中心区域ZC)，因此，一旦它们相遇，可使含硅气体的浓度曲线和速度曲线基本上径向恒定(显然必然存在边缘效应)。
根据本发明，在腔室内划分成三个区域：第一终端区域(Z1)、中心区域(ZC)和第二终端区域(Z2)。在附图所示的所有实施例中(尤其在图1中)，腔室具有基本上圆筒状且主要基本上垂直延伸(最有利的选择)；第一终端区域Z1对应于圆筒的上部区域和第二终端区域Z2对应于圆筒的下部区域。
若在本发明的体系内使用低的气体流量(这是优选的)，则腔室的垂直取向引起任何液体硅颗粒(尤其当它们较大时)倾向于保留在底部，直到蒸发。
作为实例，若腔室的内径为150mm，则第二终端区域可从底座向上延伸至约50mm的高度，中心区域可由约100mm的高度延伸至约150mm的高度，和第一终端区域可由约200mm的高度延伸至约250mm的高度。采用合适选择的各种气体输出设备和气流流量及流速，各区域的长度和在各区域之间的距离可显著降低小于一半。
显然，由于含硅的化合物和含碳的化合物以气体形式进入腔室，和由于高温导致存在很大程度的边缘扩散，因此，不可能非常精确地确定它们开始接触的区域和混合程度。
废气输出设备可起到排放一切物质的作用：反应产物、没有反应和/或没有沉积的化合物与元素、载气、蚀刻气体和可能从腔室壁和/或生长晶体上脱落的固体颗粒。
约1800℃的温度大体上对应于碳化硅生长用的正常CVD方法的温度极限，此外，约1800℃的这一温度构成了边界温度；典型地，低于1800℃，存在SiC的3C-类成核，和典型地高于1800℃，则存在SiC的6H-类或4H-类成核；最后，约1800℃的这一温度确保在令人感兴趣的压力(0.1-1.0个大气压)和稀释(1-20％)范围内，硅处于气相中。
若对含碳气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使碳和硅基本上在亦远离腔室壁的区域内(部分如图1中的情况一样)接触，则可更多地限制沿着腔室内壁沉积碳化硅。
本发明系统的腔室可有利地具有抗成核气体的输入设备；这些设备可以以多种不同的方式且可能彼此组合地设置并确定其形状和尺寸；氯化氢[HCl]可有利地用作抗成核气体；该化合物与气相内的硅反应，从而防止成核现象；氯化氢可有利地与氢气组合使用。
本发明系统的腔室可有利地具有蚀刻气体的输入设备；这些设备可以以多种不同的方式且可能彼此组合地设置并确定其形状和尺寸；氯化氢[HCl]可有利地用作蚀刻气体；该化合物腐蚀固体沉积物和固体硅和碳化硅颗粒(尤其当它们是多晶时)，氯化氢可有利地与氢气组合使用。
可以对蚀刻气体的输入设置进行设备并确定其形状和尺寸，从而使气体进入腔室的第一终端区域(如同图2和图3的实施方案中一样)内，即进入支撑设备和废气输出设备的附近。这些设备可起到防止废气输出设备因材料沉积物导致堵塞。在图2和图3的实施方案中，这些设备包括中空连接套管(它还充当腔室上部区域的腔室壁)，所述中空连接套管与合适的导管互连且具有多个朝向腔室内部的孔。
可以对抗成核气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使气体进入腔室的第二终端区域(如同图2的实施方案中一样)内，即进入含硅气体的输入设备的附近。这些设备可减少腔室内、尤其腔室的第二区域内液体硅颗粒的存在。在图2的实施方案中，这些设备包括多个环状排列且以约45°的角度朝腔室中心取向的喷嘴。
可以对抗成核气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使气体进入腔室的中心区域。这些设备可减少腔室内、尤其腔室的中心区域内液体硅颗粒的存在。
可以对蚀刻气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使气体基本上只沿着腔室壁流动。这些设备可除去和/或防止沿着腔室壁的碳化硅沉积物；但为了提供蚀刻气体沿着壁的这种流动，需要考虑其对必须受到充分保护的腔室壁的影响。
可改造蚀刻气体的输入设备，以引起与载气(典型为氢气(或者氩气、氦气或两种或多种这些气体的混合物))有关的蚀刻气体(典型为氯化氢)进入腔室内，其中蚀刻气体和载气之间的比例可以是如10slm氢气和1-2slm氯化氢。
本发明系统的支撑设备也可有利地具有蚀刻气体的输入设备(如同图2和图3中的实施方案一样)；可以对这些设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使气体绕基底周围进入。这些设备可除去在支撑设备周围区域内的碳化硅沉积物(尤其多晶碳化硅)，并限制晶体的侧面生长。在此情况下，支撑设备可例如由具有内部空腔并安装在与该空腔互连的管道上的厚圆盘构成(如同图2和图3中的实施方案一样)；该管道绝热且化学隔离；蚀刻气体被注射到该管道内，流经该空腔，并从圆盘周边形成的多个孔中流出。
本发明的系统可有利地包括在生长过程中使支撑设备旋转的设备(如同图2和图3中的实施方案一样)。从而获得在晶体表面区域内生长条件均匀度的改进。
本发明的系统可有利地包括在生长过程中使支撑设备收缩(retracting)的设备(如同图2和图3中的实施方案一样)。在生长过程中，晶体表面因此基本上总是在腔室内的同一位置上，而与已生长的晶体长度无关，因此比较容易控制在晶体表面区域内的生长条件。
用以移动支撑设备的设备可有利地受到保护，避免反应腔室的热和化学环境(如同图2和图3中的实施方案一样)。
在附图所示的所有实施方案中，支撑设备可支撑单一基底，这是最简单的情况。
根据本发明，可以以多种不同的方式对含硅气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸。
生产这些设备的最简单方式是和用朝腔室的第二区域内开放的导管，若腔室垂直且为圆筒状，则导管典型地垂直且在中心。该导管与系统的腔室互连，和导管的端部的温度因此相当高，尽管其仍低于腔室的温度。
在腔室内的导管嘴可有利地与适于使速度曲线均匀且防止侧面旋涡的流体动态分配器一起形成。
为了限制液体硅颗粒进入腔室，该导管可有利地在导管的端部区域内具有硅的蒸发池，该池示意性示于图1中并用21表示，使液体硅颗粒蒸发的最典型和最简单的方式是加热；事实上，图1图示了用合适材料包覆的石墨连接套管，它可通过感应和辐射加热。
为了加热含硅气体，该导管可有利地在其端部区域内具有中心芯；中心芯可通过导管壁的辐射加热；中心芯可具有各种形状和尺寸；可设计特殊的形状和/或尺寸，使导管壁与中心芯之间和中心芯与气体之间的换热最大化。
为了改进含硅气体在腔室内的分布，该导管可有利地在其端部区域内具有中心芯；中心芯可具有各种形状和尺寸；可设计特殊的形状和/或尺寸，以防止旋涡和控制沿壁的可能冷凝。
若合适地确定中心芯的形状和尺寸，则它也可起到加热和分配气体的作用。
作为说明，图1只示出了这种芯的两个实例(精确地说，该附图示出了位于截面内且尚未安装在导管端部内的情况)；用22A表示的第一芯具有带两个半球形端部且可完全插入到导管端部的圆筒状；用22B表示的第二芯具有在底座区域内具有球形盖的倒锥形，和可置于导管出口的上方，以便锥体尖端插入到导管内，但不会堵塞它。
为了限制液体硅颗粒进入腔室，含硅气体的输入设备可有利地包括具有朝向导管的开口的杯型元件(如同图3的实施方案一样)。于是通过腔室壁的辐射加热杯型物，和流经该杯型物的气体通过杯壁被快速加热到高温；快速加热是非常有利的，因为硅在处于其露点以下温度的时间缩短，因此硅颗粒的生长时间缩短(和因此其尺寸缩小)；此外，任何颗粒(尤其液体硅颗粒)倾向于保留在杯型物内直到蒸发。若导管延伸到杯型物内(如同图3的实施方案一样)，则获得改进的结果；在导管通向腔室的路径内提供的突然变化因此实际上倾向于通过冲击消除液体硅颗粒。
尽管图3示出了圆筒状杯型物，但该杯型物可相对于外表面和内表面合适地确定形状和尺寸；可设计特殊的形状和/或尺寸以防止旋涡，最大化在腔室壁和杯型物之间以及在杯型物与气体之间的换热，和控制沿壁的可能冷凝。
根据本发明，可以以多种不同的方式对含碳气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸。
含碳气体的输入设备可包括多个沿环状排列且朝腔室的第二区域开放的喷嘴(如同其中喷嘴基本朝上的图2的实施方案一样)；对于直立圆筒状腔室来说，所述环和腔室典型地共轴和所述环典型地设置在圆筒底座上(如同图2的实施方案一样)或者设置在圆筒壁的下部。应当确定喷嘴的形状和尺寸，其方式使含碳气体的射流基本上在腔室的中心区域内与硅接触；喷嘴的形状决定气体射流的方向和形状。
含碳气体的输入设备可包括多个以环状排列且朝腔室的中心区域开放的导管(如同图3的实施方案一样)；对于直立圆筒状腔室来说，所述环和腔室典型地共轴和导管典型地全部相同且平行；为了得到良好的结果，可选择所述环的平均直径，以便约等于腔室内径的2/3。在图3的实施方案中，这些导管与同腔室底座相邻的中空圆盘连通；一系列小的导管在圆盘空腔内开放；小的导管作为支流从大的共轴导管处延伸。
含碳气体的输入设备可包括在腔室的中心区域内开放的环形导管；对于直立圆筒状腔室来说，所述环和腔室典型地共轴；为了提供含硅气体(进入腔室的第二区域内)的良好分布，所述环的平均直径有利地只略微小于腔室的内径；在此情况下，可另外在含碳气体的环状导管周围且接近腔室壁提供设置用于蚀刻气体的环状导管，以便保持腔室壁不具有碳化硅沉积物。
应当设计含碳气体的输入设备，以便试图实现与含硅气体的良好混合和在腔室内气体的宽且均匀的分布，和试图防止旋涡；还有利的是考虑含炭黑的气体可能向含硅气体的输入设备扩散。
关于含硅气体的输入设备和含碳气体的输入设备，目的是使碳和硅进入基底区域而不是在腔室壁上。
(含硅或碳的)前体气体的输入设备典型地适于使与载气(它可以是氢气、氩气、氦气或两种或多种这些气体的混合物)相关并因此在载气内稀释的前体气体进入腔室；对于载气来说，前体气体和载气之间的比例可以是例如10slm，和对于前体气体来说，可以是1-2slm。
携带硅的最典型的前体气体是硅烷[SiH4]；可有利地混合硅烷[SiH4]与氯化氢[HCl]，以便防止(或者至少限制)在导管内任何地方形成硅液滴；或者可使用同时含硅和氯的化合物，例如二氯硅烷[DCS]、三氯硅烷[TCS]和四氯化硅[SiCl4]。
携带碳的前体气体可以是丙烷[C3H8]、乙烯[C2H4]或乙炔[C2H2]；在这些当中，在高温下最稳定的化合物是乙炔，最易处理的是丙烷，和居中的化合物是乙烯。
曲于必须在腔室内维持很高的温度，因此加热设备有利地为感应类型且适于加热腔室壁；在任何一个附图中均没有示出加热设备。
优选维持预定的温度曲线；特别地，腔室的中心区域内的温度有利地非常高(2200-2600℃)，而第一区域(和因此基底和生长晶体)的温度稍微低点(1800-2200℃)，以促进碳化硅的冷凝；第一区域(含硅气体的输入区域)内的温度应非常高(2200-2600℃)，但也可略微低于中心区域的温度(2000-2400℃)。
在第一实施方案中，加热设备因此可适于在腔室内产生下述温度：
-在第一区域内，1800-2200℃范围内的温度，优选约2000℃，
-在中心区域内，2200-2600℃范围内的温度，优选约2400℃。
-在第二区域内，2000-2400℃范围内的温度，优选约2200℃。
在第二实施方案中，加热设备因此可适于在腔室内产生下述温度：
-在第一区域内，1800-2200℃范围内的温度，优选约2000℃，
-在中心区域内，2200-2600℃范围内的温度，优选约2400℃，
-在第二区域内，2200-2600℃范围内的温度，优选约2400℃。
有利地安排支撑设备使之包括控温设备。本发明系统的支撑设备典型地由涂有SiC或TaC层的石墨组成；这些因此还通过感应效应和辐射效应充当加热元件。气流例如氢气流可有利地用于控制支撑设备的温度；25slm的氢气流吸收约1kW的功率，以便从环境温度被加热到2000℃。在此情况下，支撑设备可例如由具有内部空腔并安装在与该空腔互连的管道上的厚圆盘构成；该管道绝热且化学隔离；冷却气体被注射到管道内，流经该空腔，并从圆盘周边内形成的多个孔中流出。在图2和图3的实施方案中，在支撑设备内部的气流可有利地用于蚀刻和控温这两方面。
本发明系统的许多组成部件可由石墨组成，典型地，这些部件应当覆盖保护层，例如SiC和TaC(其更有耐受性)的保护层。
在图2和3中，用与图1相同的参考标记表示具有相同或类似功能的元件。
尽管附图仅示出了本发明的两个具体的实施方案，但根据前述说明，显然可以以多种不同的方式实施本发明，这些方式来自于对其组成设备来说可预见到的多种变体的组合。
Claims (21)
1.用于在基底上生长碳化硅晶体的系统，该系统包括沿着轴延伸的腔室，其中该腔室具有：
-独立的用于含碳气体和含硅气体的输入设备，
-设置在腔室的第一终端区域内的基底支撑设备，
-设置在支撑设备附近的废气输出设备，
-适于加热该腔室至高于约1800℃的温度的加热设备，
其中对含硅气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使含硅气体进入腔室的第二终端区域，
其特征在于，对含碳气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使碳和硅基本上在同时远离第一终端区域和第二终端区域的腔室的中心区域内接触。
2.权利要求1的系统，其中对含碳气体的输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使碳和硅基本上在亦远离腔室壁的区域内接触。
3.权利要求1或2的系统，其中该腔室具有蚀刻气体的输入设备，其中对所述输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式允许所述气体进入腔室的第一终端区域。
4.权利要求1、2和3任一项的系统，其中该腔室具有抗成核气体的输入设备，其中对所述输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式允许所述气体进入腔室的第二终端区域。
5.前述任一权利要求的系统，其中该腔室具有抗成核气体的输入设备，其中对所述输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式允许所述气体进入腔室的中心区域内。
6.前述任一权利要求的系统，其中该腔室具有蚀刻气体的输入设备，其中对所述输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式使得基本上只沿着腔室壁产生气流。
7.前述任一权利要求的系统，其中支撑设备具有蚀刻气体的输入设备，其中对所述输入设备进行设置并确定其形状和尺寸，其方式允许该气体围绕基底进入。
8.前述任一权利要求的系统，它包括在生长过程中使支撑设备旋转的设备。
9.前述任一权利要求的系统，它包括在生长过程中使支撑设备收缩的设备。
10.前述任一权利要求的系统，其中含硅气体的输入设备包括朝腔室的第二区域开放的导管。
11.权利要求10的系统，其中所述导管在其端部区域内具有硅的蒸发池。
12.权利要求10或11的系统，其中所述导管在其端部区域内具有加热含硅气体和/或使其在腔室内分布的中心芯。
13.权利要求10、11和12任一项的系统，其中含硅气体的输入设备包括具有朝向所述导管的开口的杯型元件。
14.权利要求13的系统，其中所述导管在杯内延伸。
15.权利要求1-14任一项的系统，其中含碳气体的输入设备包括多个以环状排列并朝腔室的第二区域开放的喷嘴。
16.权利要求1-14任一项的系统，其中含碳气体的输入设备包括多个以环状排列并朝腔室的中心区域开放的导管。
17.权利要求1-14任一项的系统，其中含碳气体的输入设备包括在腔室的中心区域内开放的环状导管。
18.前述任一权利要求的系统，其中加热设备为感应类型且适于加热腔室壁。
19.权利要求1-18任一项的系统，其中加热设备适于在腔室内产生下述温度：
-在第一区域内，1800-2200℃范围内的温度，优选约2000℃，
-在中心区域内，2200-2600℃范围内的温度，优选约2400℃，
-在第二区域内，2000-2400℃范围内的温度，优选约2200℃。
20.权利要求1-18任一项的系统，其中加热设备适于在腔室内产生下述温度：
-在第一区域内，1800-2200℃范围内的温度，优选约2000℃，
-在中心区域内，2200-2600℃范围内的温度，优选约2400℃，
-在第二区域内，2200-2600℃范围内的温度，优选约2400℃。
21.前述任一权利要求的系统，其中支撑设备包括控温设备。
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