4H-SiC同質外延生長系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種4H-SiC襯底上的同質外延系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：反應室，用于容置4°偏角碳化硅襯底；真空機，與所述反應室相導通，用于將所述反應室抽成氣壓低于1×10-7mbar的真空；源氣輸送和控制系統(tǒng)，與所述反應室相導通，用于向反應室通入氫氣H2直至反應室氣壓到達100mbar，保持反應室氣壓恒定，再將H2流量逐漸增至64L/min，繼續(xù)向反應室通氣；加熱系統(tǒng)，與所述反應室相連接，用于將所述反應室加熱升高逐漸至1400℃，進行10分鐘的原位刻蝕。本發(fā)明4H-SiC同質外延生長系統(tǒng)在大幅的提高了外延層的生長速率，很大程度上節(jié)約了生產成本，減少了資源的浪費。
【專利說明】4H-S iC同質外延生長系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件制造領域，尤其涉及一種低壓4H-SiC同質外延生長系統(tǒng)?！颈尘凹夹g】
[0002]碳化硅(SiC)具有寬帶隙、高臨界擊穿場強、高熱導率、高飽和電子漂移速度和高鍵合能等優(yōu)點，是制作高溫、高壓、高頻、大功率、抗輻照等半導體器件的原材料，也是制作“極端電子學器件”和極端條件下微機電系統(tǒng)MEMS的主要材料；此外，SiC是一種優(yōu)良的發(fā)光半導體材料，不僅適于制作光電子半導體器件，也可利用其寬帶隙和低電流的特性制作紫外敏感器件。由于SiC材料具有這些優(yōu)越的特性，使它在化學工業(yè)、航空航天工程、汽車制造業(yè)、礦物加工與開采、核動力工程等領域都有著廣泛的應用前景。
[0003]目前化學氣相淀積(CVD)是生長SiC同質外延的常用方法之一。在利用CVD方法生長SiC外延層過程中，SiH4和C3H8作為生長源氣體，H2作為載氣。制備工作于高壓下的SiC電力電子器件需要厚的SiC外延層，而對于厚膜SiC外延層的制備，采用常規(guī)工藝(-5ym/h)需要很長的生長時間，大大增加了制備成本。
[0004]提高源氣體SiH4和C3H8流量可以將SiC外延的生長速率提高到10 μ m/h以上，但通過增加源氣體流量以獲得高生長速率的方法所遇到的主要問題是氣相中同種組分的成核現(xiàn)象，即Si滴的出現(xiàn)。如果氣流不能及時的將Si滴輸運出生長區(qū)，將會導致生長速率達到飽和，Si滴也會沉積襯底上，導致外延表面形貌的退化和材料質量的降低，這對后續(xù)的器件制造和器件性能都 會造成很大影響。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種4H_SiC同質外延生長系統(tǒng)，以解決常規(guī)工藝條件下SiC外延層生長速率較低的問題，同時克服高源氣體流量條件下SiC外延層表面缺陷密度較大的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種4H_SiC襯底上的同質外延系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0007]反應室，用于容置4°偏角碳化硅襯底；
[0008]真空機，與所述反應室相導通，用于將所述反應室抽成氣壓低于I X 10_7mbar的真空;
[0009]源氣輸送和控制系統(tǒng)，與所述反應室相導通，用于向反應室通入氫氣H2直至反應室氣壓到達lOOmbar，保持反應室氣壓恒定，再將H2流量逐漸增至64L/min，繼續(xù)向反應室通氣；
[0010]加熱系統(tǒng)，與所述反應室相連接，用于將所述反應室加熱升高逐漸至1400°C，進行10分鐘的原位刻蝕；
[0011]其中，利用加熱系統(tǒng)將所述反應室溫度升高至1580°C -1620°C，利用真空機將所述反應室壓強降低為40mbar，保持溫度和壓強恒定，利用所述源氣輸送和控制系統(tǒng)向所述反應室通入42mL/min的SiH4和14mL/min的C3H8,進行2小時的外延生長，獲得長有碳化硅外延層的襯底片；所述源氣輸送和控制系統(tǒng)停止供給C3H8和SiH4，停止生長，然后通向反應室的H2流量為20L/min，利用所述真空機保持反應室氣壓為lOOmbar，使長有碳化硅外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;再將反應室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續(xù)冷卻；當所述反應室溫度降低到700°C以后，所述源氣輸送和控制系統(tǒng)停止向所述反應室通AH2 ；利用真空機將所述反應室抽真空，直到氣壓低于lX10_7mbar，再打開Ar開關，所述源氣輸送和控制系統(tǒng)向反應室通入流量為12L/min的Ar,使長有碳化娃外延層的襯底在気氣環(huán)境下繼續(xù)冷卻30min ;緩慢提高反應室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0012]進一步的，所述加熱系統(tǒng)中包括高頻線圈感應加熱器RF，用于使反應室溫度升高逐漸至1400°C，進行10分鐘的原位刻蝕。
[0013]進一步的，所述系統(tǒng)還包括尾氣處理器，與所述真空機相導通，用于將所述真空機抽取的氣體導出。
[0014]進一步的，所述系統(tǒng)還包括真空檢測器，用于檢測所述反應室的真空度。
[0015]進一步的，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括冷卻器，用于冷卻。
[0016]本發(fā)明4H_SiC同質外延生長系統(tǒng)在4°偏角碳化娃襯底上生長出碳化娃外延層，相對于通常所用的在有偏角的襯底上同質外延，大幅的提高了外延層的生長速率，很大程度上節(jié)約了生產成本，減少了資源的浪費。采用低壓生長工藝，克服了高源氣體流量條件下同種組分的氣相成核問題，得到表面光滑、階梯聚集群和三角形缺陷較少、結晶質量好的4H-SiC同質外延層,可用于SiC的器件制造。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明4H_SiC襯底上的同質外延系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0019]圖1為本發(fā)明4H_SiC襯底上的同質外延系統(tǒng)的示意圖，如圖所示，本發(fā)明具體包括:反應室1、真空機2、源氣輸送和控制系統(tǒng)3和加熱系統(tǒng)4。
[0020]反應室1，用于容置4°偏角碳化硅襯底；真空機2，與所述反應室I相導通，用于將所述反應室I抽成氣壓低于IX 10_7mbar的真空；源氣輸送和控制系統(tǒng)3，與所述反應室I相導通，用于向反應室I通入氫氣H2直至反應室I氣壓到達lOOmbar，保持反應室I氣壓恒定，再將H2流量逐漸增至64L/min，繼續(xù)向反應室I通氣；加熱系統(tǒng)4，與所述反應室I相連接，用于將所述反應室I加熱升高逐漸至1400°C，進行10分鐘的原位刻蝕。
[0021]利用加熱系統(tǒng)4將所述反應室I溫度升高至1580°C -1620°C，利用真空機2將所述反應室I壓強降低為40mbar，保持溫度和壓強恒定，利用所述源氣輸送和控制系統(tǒng)3向所述反應室I通入42mL/min的SiH4和14mL/min的C3H8,進行2小時的外延生長，獲得長有碳化硅外延層的襯底片；所述源氣輸送和控制系統(tǒng)3停止供給C3H8和SiH4，停止生長，然后通向反應室I的H2流量為20L/min，利用所述真空機2保持反應室I氣壓為lOOmbar，使長有碳化硅外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;再將反應室I氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續(xù)冷卻；當所述反應室I溫度降低到700°C以后，所述源氣輸送和控制系統(tǒng)3停止向所述反應室I通入H2 ;利用真空機2將所述反應室I抽真空，直到氣壓低于I X IO^mbar,再打開Ar開關，所述源氣輸送和控制系統(tǒng)3向反應室I通入流量為12L/min的Ar，使長有碳化硅外延層的襯底在氬氣環(huán)境下繼續(xù)冷卻30min ;緩慢提高反應室I氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0022]具體的，加熱系統(tǒng)4中包括高頻線圈感應加熱器RF，用于使反應室溫度升高逐漸至1400°C，進行10分鐘的原位刻蝕。
[0023]再如圖1所示，本發(fā)明還包括尾氣處理器5、真空檢測器6和冷卻器7。尾氣處理器5與真空機2相導通，用于將真空機2抽取的氣體導出。真空檢測器6用于檢測反應室I的真空度。冷卻器7用于冷卻。
[0024]本發(fā)明4H_SiC同質外延生長系統(tǒng)在4°偏角碳化娃襯底上生長出碳化娃外延層，相對于通常所用的在有偏角的襯底上同質外延，大幅的提高了外延層的生長速率，很大程度上節(jié)約了生產成本，減少了資源的浪費。采用低壓生長工藝，克服了高源氣體流量條件下同種組分的氣相成核問題，得到表面光滑、階梯聚集群和三角形缺陷較少、結晶質量好的4H-SiC同質外延層,可用于SiC的器件制造。
[0025]以下為本發(fā)明4H_SiC襯底上的同質外延系統(tǒng)的處理方法的實施例。
[0026]實施例1
[0027]步驟一，將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設備的反應室中。
[0028]具體的，選取 4°偏角的4H_SiC襯底，清洗后放置到碳化硅CVD設備的反應室中；將反應室抽真空，直到反應室氣壓低于I X 10_7mbar。
[0029]步驟二，在氫氣流中加熱反應室。
[0030]具體的，打開通向反應室的H2開關，控制其流量逐漸增大到64L/min ;打開真空泵抽取反應室的氣體，保持反應室氣壓在IOOmbar ;逐漸調大RF加熱源的功率，使反應室溫度緩慢升高。
[0031 ] 步驟三，對襯底進行原位刻蝕。
[0032]具體的，當反應室溫度達到1400°C以后，保持反應室溫度恒定進行10分鐘的原位刻蝕。
[0033]步驟四，設置生長條件，開始生長碳化硅外延層。
[0034]具體的，當反應室溫度達到1580°C以后將反應室壓強降低為40mbar，保持反應室溫度和壓強恒定；打開C3H8和SiH4的開關，通入42mL/min的SiH4和14mL/min的C3H8,生長碳化娃外延層。
[0035]步驟五，在氫氣流中冷卻襯底。
[0036]具體的，當外延生長時間達到設定的2小時后，關閉C3H8和SiH4的開關，停止生長；設置通向反應室的H2流量為20L/min，保持反應室氣壓為lOOmbar，使長有碳化硅外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;將反應室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續(xù)冷卻。
[0037]步驟六，在氬氣中冷卻襯底。
[0038]具體的，當反應室溫度降低到700°C以后，關閉通向反應室的H2開關；將反應室抽真空，直到氣壓低于lX10_7mbar ;打開IS氣開關，向反應室通入流量為12L/min的Ar,使長有碳化硅外延層的襯底在氬氣環(huán)境下繼續(xù)冷卻30min ;緩慢提高反應室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0039]實施例2
[0040]步驟1，選取4°偏角的4H_SiC襯底，放置到碳化硅CVD設備的反應室中；將反應室抽真空，直到反應室氣壓低于lX10_7mbar。
[0041]步驟2，打開通向反應室的H2開關，控制氫氣流量逐漸增大到64L/min，同時打開真空泵抽取反應室的氣體，保持反應室氣壓在IOOmbar ;逐漸調大RF加熱源的功率，使反應室溫度緩慢升高，當反應室溫度到達1400°C后，進行IOmin的原位刻蝕。
[0042]步驟3，當反應室溫度達到1600°C以后，將壓強降低為40mbar，保持反應室溫度和壓強恒定，打開C3H8和SiH4的開關，加入流量為14mL/min的C3H8、流量為42mL/min的SiH4,生長碳化娃外延層。
[0043]步驟5，當外延生長時間達到設定的2小時后，關閉C3H8和SiH4的開關，停止生長；然后設置通向反應室的H2流量為20L/min，保持反應室氣壓為lOOmbar，使長有碳化硅外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;再將反應室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續(xù)冷卻。
[0044]步驟6，當反應室溫度降低到700°C以后，關閉通向反應室的H2開關；將反應室抽真空，直到氣壓低于I X l(T7mbar,再打開Ar開關，向反應室通入流量為12L/min的Ar,使長有碳化硅外延層的襯底在氬氣環(huán)境下繼續(xù)冷卻30min ;緩慢提高反應室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0045]實施例3
[0046]步驟一，將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設備的反應室中。
[0047]具體的，選取4°偏角的4H_SiC襯底，清洗后放置到碳化硅CVD設備的反應室中；將反應室抽真空，直到反應室氣壓低于I X 10_7mbar。
[0048]步驟二，在氫氣流中加熱反應室。
[0049]具體的，打開通向反應室的H2開關，控制其流量逐漸增大到64L/min ;打開真空泵抽取反應室的氣體，保持反應室氣壓在IOOmbar ;逐漸調大RF加熱源的功率，使反應室溫度緩慢升高。
[0050]步驟三，對襯底進行原位刻蝕。
[0051]具體的，當反應室溫度達到1400°C以后，保持反應室溫度恒定進行10分鐘的原位刻蝕。
[0052]第四步，設置生長條件，開始生長碳化硅外延層。
[0053]具體的，當反應室溫度達到1620°C以后，將壓強降低為40mbar，保持反應室溫度和壓強恒定；打開C3H8和SiH4的開關，在氫氣流中同時加入流量為14mL/min的C3H8、流量為42mL/min的SiH4,生長碳化娃外延層。
[0054]第五步，在氫氣流中冷卻襯底。
[0055]具體的，當外延生長時間達到設定的2小時后，關閉C3H8和SiH4的開關，停止生長；設置通向反應室的H2流量為20L/min，保持反應室氣壓為lOOmbar，使長有碳化硅外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;將反應室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續(xù)冷卻。
[0056]第六步，在氬氣中冷卻襯底。
[0057] 具體的，當反應室溫度降低到700°C以后，關閉通向反應室的H2開關；(6.2)將反應室抽真空，直到氣壓低于IX l(T7mbar ;打開Ar開關，向反應室通入流量為12L/min的Ar,使長有碳化硅外延層的襯底在氬氣環(huán)境下繼續(xù)冷卻30min ;緩慢提高反應室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0058]實施例4
[0059]步驟一，將碳化硅襯底放置到碳化硅CVD設備的反應室中。
[0060]具體的，選取4°偏角的4H_SiC襯底，清洗后放置到碳化硅CVD設備的反應室中；將反應室抽真空，直到反應室氣壓低于I X 10_7mbar。
[0061]步驟二，在氫氣流中加熱反應室。
[0062]具體的，打開通向反應室的H2開關，控制其流量逐漸增大到64L/min ;打開真空泵抽取反應室的氣體，保持反應室氣壓在IOOmbar ;逐漸調大RF加熱源的功率，使反應室溫度緩慢升高。
[0063]步驟三，對襯底進行原位刻蝕。
[0064]具體的，當反應室溫度達到1400°C以后，保持反應室溫度恒定進行10分鐘的原位刻蝕。
[0065]第四步，設置生長條件，開始生長碳化硅外延層。
[0066]具體的，刻蝕結束后，在反應室溫度由1400°C升至1580°C過程中，將生長壓強由IOOmbar降低為40mbar,之后保持反應室溫度和壓強恒定；打開C3H8和SiH4的開關,在氫氣流中同時加入流量為14m L/min的C3H8、流量為42mL/min的SiH4，生長碳化硅外延層。
[0067]第五步，在氫氣流中冷卻襯底。
[0068]具體的，當外延生長時間達到設定的2小時后，關閉C3H8和SiH4的開關，停止生長；設置通向反應室的H2流量為20L/min，保持反應室氣壓為lOOmbar，使長有碳化硅外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;將反應室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續(xù)冷卻。
[0069]第六步，在氬氣中冷卻襯底。
[0070]具體的，當反應室溫度降低到700°C以后，關閉通向反應室的H2開關；將反應室抽真空，直到氣壓低于IX l(T7mbar ;打開Ar開關，向反應室通入流量為12L/min的Ar,使長有碳化硅外延層的襯底在氬氣環(huán)境下繼續(xù)冷卻30min ;緩慢提高反應室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
[0071]以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種4H-SiC襯底上的同質外延系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)包括: 反應室，用于容置4°偏角碳化硅襯底； 真空機，與所述反應室相導通，用于將所述反應室抽成氣壓低于I XKTmbar的真空； 源氣輸送和控制系統(tǒng)，與所述反應室相導通，用于向反應室通入氫氣H2直至反應室氣壓到達lOOmbar，保持反應室氣壓恒定，再將H2流量逐漸增至64L/min，繼續(xù)向反應室通氣； 加熱系統(tǒng)，與所述反應室相連接，用于將所述反應室加熱升高逐漸至1400°C，進行10分鐘的原位刻蝕； 其中，利用加熱系統(tǒng)將所述反應室溫度升高至1580°C -1620°C，利用真空機將所述反應室壓強降低為40mbar，保持溫度和壓強恒定，利用所述源氣輸送和控制系統(tǒng)向所述反應室通入42mL/min的SiH4和14mL/min的C3H8,進行2小時的外延生長，獲得長有碳化硅外延層的襯底片；所述源氣輸送和控制系統(tǒng)停止供給C3H8和SiH4，停止生長，然后通向反應室的H2流量為20L/min，利用所述真空機保持反應室氣壓為IOOmbar，使長有碳化硅外延層的襯底在氫氣流中冷卻25min ;再將反應室氣壓升高到700mbar，在氫氣流中繼續(xù)冷卻；當所述反應室溫度降低到700°C以后，所述源氣輸送和控制系統(tǒng)停止向所述反應室通入H2;利用真空機將所述反應室抽真空，直到氣壓低于I X 10_7mbar，再打開Ar開關，所述源氣輸送和控制系統(tǒng)向反應室通入流量為12L/min的Ar，使長有碳化硅外延層的襯底在氬氣環(huán)境下繼續(xù)冷卻30min ;緩慢提高 反應室氣壓到常壓，使襯底自然冷卻至室溫，取出碳化硅外延片。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱系統(tǒng)中包括高頻線圈感應加熱器RF，用于使反應室溫度升高逐漸至1400°C，進行10分鐘的原位刻蝕。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括尾氣處理器，與所述真空機相導通，用于將所述真空機抽取的氣體導出。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括真空檢測器，用于檢測所述反應室的真空度。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括冷卻器，用于冷卻。
【文檔編號】C30B25/20GK104018216SQ201410260320
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權日:2014年6月12日
【發(fā)明者】賈仁需, 胡繼超, 張玉明, 王悅湖, 張藝蒙 申請人:西安電子科技大學