一種用于生產碳化硅外延片的化學氣相沉積設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種改進碳化硅外延片均勻性的方法，可用來生長厚度均勻的碳化硅外延片。通過在反應腔體的氣流下方安裝氣流阻擋環(huán)，然后將碳化硅襯底置于支撐臺上，再將反應腔體內加熱到外延所需溫度，通入反應氣體和載氣，最終在碳化硅襯底上形成碳化硅外延層。本發(fā)明獲得的碳化硅外延片厚度更均勻，且裝置簡單，為改善傳統(tǒng)設備最可行和最為廉價的方法，不需要過多的成本投入，利于工業(yè)化生產。
【專利說明】一種用于生產碳化硅外延片的化學氣相沉積設備
【【技術領域】】
[0001]本發(fā)明屬于化學氣相沉積領域，具體講涉及一種用于生產碳化硅外延片的化學氣相沉積設備。
【【背景技術】】
[0002]碳化硅(SiC)是第三代寬禁帶半導體材料，具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高導熱率、高載流子飽和漂移速度等特點，特別適合制作高溫、高壓、大功率電力電子等半導體器件，對混合電力汽車、電動汽車、太陽能逆變器以及智能電網等行業(yè)的發(fā)展具有非常重要的 意義。
[0003]碳化硅材料的制作，無論是晶體生長還是外延生長都是不易的，生長高質量的外延片更是對工藝一種挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的化學氣相沉積法生長碳化硅外延時反應腔體、反應腔體的潔凈度及其他工藝參數(溫度、壓強、反應氣體流速等)都會對碳化硅外延層的質量(表面缺陷、摻雜濃度、濃度均勻性、外延層厚度、厚度均勻性等)產生影響。其中外延片的厚度均勻性及外延層的厚度都會直接影響最終器件的性能，因而厚度均勻性及外延片的厚度被視為外延片質量的重要指標。在外延生長中影響厚度均勻性及外延片的厚度的參數有:反應腔體構造，反應腔體中溫度的分布，反應腔體中氣流流量的大小，反應腔體中各個部位氣體濃度的分布情況等。如圖1所示的傳統(tǒng)水平氣相沉積設備，在外延生長時，由于在反應過程中，反應氣體源通過反應腔體時，存在“耗盡”現象，即反應氣體平行于襯底流動時，在氣流的流入方向濃度較大，由于“消耗”現象在氣流的流出方向濃度較小，于是在襯底表面靠近氣流流入方向的外延層會更厚而在靠近氣流流出方向的外延層會較薄。這種不均勻性對器件制造造成很大的影響，尤其是較厚的外延層。
[0004]專利號為ZL98812328.2，發(fā)明名稱為生長非常均勻的碳化硅外延層的專利中公開了一種改良的化學氣相沉積方法，將反應器加熱到碳化硅原料氣體在反應器內基體上形成外延層的溫度，讓原料氣體和載氣流過加熱的反應器在基體上形成碳化硅外延層，同時載氣包括氫氣和第二種氣體的混合氣體，其中第二種氣體的熱導要低于氫氣熱導，使得原料氣體在通過反應器時它的消耗比使用單一氫氣作載氣時的更低，但是其操作工藝復雜，并且要增加額外的氣體源，使得制造成本增加。近年來，在低壓器件方面碳化硅外延技術已經很成熟，而在高壓器件方面的碳化硅厚外延技術仍然存在許多不足，如由于均勻性和表面缺陷的問題難以實現較厚的碳化硅外延層；生長速率太低，導致生長高壓器件所需的厚碳化硅外延片的成本過高。
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【發(fā)明內容】
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[0005]為獲得均勻性良好的碳化硅外延片，本發(fā)明提供了一種用于生長碳化硅外延片的化學氣相沉積設備，通過改進腔體結構，在其中增設氣流阻擋環(huán)，將反應腔體內加熱到外延生成所需的溫度，再通入反應氣體和載氣，碳化硅襯底上最終形成碳化硅外延層。增設的氣流阻擋環(huán)可以相對提高氣流流出區(qū)域內反應氣體的濃度，來彌補“消耗”現象造成的厚度較小問題以實現碳化硅外延生長厚度均勻的目的。
[0006]本發(fā)明的一種化學氣相沉積設備，設備腔體由內向外依次為石墨支撐臺、石墨軟氈層、石英壁層和加熱感應線圈，設備腔體還包括固定于石墨支撐臺上氣流阻擋環(huán)。
[0007]本發(fā)明的設備，其中，阻擋環(huán)形狀為弧形，弧形阻擋環(huán)的寬0.8~1.2cm(如圖8所示)，本發(fā)明中采用的碳化硅襯底的形狀為圓形，設置的弧形阻擋環(huán)的半徑比襯底晶片的半徑大I~1.5cm,阻擋環(huán)的弧度采用90~180度。
[0008]本發(fā)明的設備，其中，阻擋環(huán)為石墨阻擋環(huán)，使得阻擋環(huán)在1500°C~1700°C下，穩(wěn)定性好，不發(fā)生形變、軟化現象，保證了阻擋環(huán)區(qū)域內的氣體濃度的穩(wěn)定，阻擋環(huán)為高純石墨時，可以減少雜質對碳化娃外延生長的影響。
[0009]本發(fā)明的設備，其中，阻擋環(huán)接觸支撐臺，通過石墨螺絲直接加固于石墨支撐臺上，阻擋環(huán)的設置高度為0.3~0.7cm,對氣流的阻力均衡，不產生渦流，保證了氣流的穩(wěn)定。
[0010]將本發(fā)明的設備用于外延片的生產中，特別是碳化硅外延片。
[0011]本發(fā)明的設備，其中，阻擋環(huán)的表面鍍有碳化硅或碳化鉭鍍層，以阻止石墨中的雜質向反應腔體里擴散。
[0012]本發(fā)明提供的化學氣相沉積設備，解決了碳化硅外延層氣流流入方向和流出方向厚度不均的問題，改進碳化硅外 延生長的反應腔體，在腔體內的氣流流出方向安裝一個氣流阻擋環(huán)，通過阻擋環(huán)的作用來提高氣流流出方向區(qū)域內反應氣體的濃度，來彌補“消耗”現象造成的厚度較小的問題。
[0013]與現有技術相比，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)反應源因在氣流方向上的“耗盡”現象而產生的氣流上方厚度較厚和氣流下方厚度較小問題。通過阻擋環(huán)的作用使得氣流下方氣體源濃度增大，使得氣流下方的厚度接近上方厚度，由于減小了上方和下方的厚度差，使得均勻性變得更小，碳化硅外延層厚度變得更加均勻，整體制得的外延片的厚度均勻性由1.9~
2.5%降低至I~1.4% ;本發(fā)明還有一優(yōu)勢是:在使用中經濟、簡單并且不造成過多的成本投入。
[0014]傳統(tǒng)化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD)法,碳化娃外延一般采用該方法一般工藝流程是:先將碳化硅襯底裝入反應腔體內，然后往反應腔體內通入惰性氣體(一般為H2氣)，并使腔體內維持一定的壓力，再對反應腔體進行加熱，一般要加熱至1500°C以上，再通入反應氣體源(比如=SiH4作為硅源，C2H4作為碳源，H2—般為載氣)，在此條件下，會在碳化硅襯底上沉積一層碳化硅薄膜，即是外延層，最后冷卻。如圖2所示，本發(fā)明所述的反應腔體為圓柱形，由里到外，依次為:石墨支撐臺4，用于支撐碳化硅襯底
5,可以防止石墨軟租層3在高溫下分解對腔體產生污染,石墨支撐臺4四周由石墨軟租層3包裹，作為保溫層和感應線圈I一并用于維持反應腔體內碳化硅外延生長所需的溫度條件，石墨軟氈層3外面是石英壁層2，作為反應腔體壁，石英壁層2外面是一圈感應線圈1，為反應腔體提供熱量，左邊是進氣口 7，右邊是出氣口 6，氣流從反應腔體左端進來，經過高溫區(qū)域并在被加熱的碳化硅襯底上沉積一層碳化硅薄膜，即外延層，然后尾氣從右端排出。實驗時，先在常壓下，將反應腔體內清理干凈，然后放入碳化硅襯底5，在放置好阻擋環(huán)8，在抽真空，在充入氫氣使腔體內壓力維持在低壓狀態(tài)(20~60Torr)，一般40Torr，開始加熱，加熱至1500°C~1550°C保持5~20分鐘，通入氫氣(2~20slm)和乙烷進行原位蝕刻，以清理表面的顆?；驌p傷，通入乙烷的目的主要在于抑制過度刻蝕和抑制在刻蝕中的硅滴形成，然后在繼續(xù)加熱至1600~1700°C,通入反應氣體源娃源SiH4等(2~50sccm)和碳源C2H4等(2~50sCCm)以及摻雜劑進行外延生長，等生長到目標厚度即可切斷反應源和電源開始冷卻。利用傅里葉紅外光譜分析儀(FTIR)，沿氣流方向測試試驗點測試厚度，確定氣流方向外延片的均勻性，試驗結果見表1。
[0015]表1外延片厚度均勻性實驗結果
[0016]
【權利要求】
1.一種化學氣相沉積設備，設備腔體由內向外依次為石墨支撐臺、石墨軟氈層、石英壁層和加熱感應線圈，所述設備腔體還包括固定于石墨支撐臺上氣流阻擋環(huán)。
2.如權利要求1所述的設備，其特征在于所述阻擋環(huán)形狀為弧形。
3.如權利要求1所述的設備，其特征在于所述弧形阻擋環(huán)的寬0.8~1.2cm，半徑比襯底晶片的半徑大I~1.5cm，設置高度為0.3~0.7cm。
4.如權利要求2所述的設備，其特征在于所述阻擋環(huán)的弧度為90~180度。
5.如權利要求1所述的設備，其特征在于所述阻擋環(huán)為石墨阻擋環(huán)。
6.如權利要求5所述的設備，其特征在于所述石墨阻擋環(huán)為高純石墨。
7.如權利要求1所述的設備，其特征在于所述阻擋環(huán)通過石墨螺絲固定于支撐臺上。
8.如權利要求1所述的設備，其特征在于所述設備用于生產碳化硅外延片。
9.如權利要求1所述的設備，其特征在于所述設備應用于外延片的生產中。
10.如權利要求8所述的設備，其特征在于所述阻擋環(huán)的表面鍍有碳化硅或碳化鉭鍍層。
【文檔編號】C30B29/36GK103603048SQ201310279780
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年7月4日 優(yōu)先權日:2013年7月4日
【發(fā)明者】鈕應喜, 楊霏, 于坤山 申請人:國家電網公司, 國網智能電網研究院