一種用于生產(chǎn)碳化硅外延片的化學(xué)氣相沉積設(shè)備的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供一種改進(jìn)碳化硅外延片均勻性的設(shè)備，可用來(lái)生長(zhǎng)厚度均勻的碳化硅外延片。通過(guò)在反應(yīng)腔體的氣流下方安裝一個(gè)弧形氣流阻擋環(huán)，然后將碳化硅襯底置于支撐臺(tái)上，再將反應(yīng)腔體內(nèi)加熱到外延所需溫度，通入反應(yīng)氣體和載氣，最終在碳化硅襯底上形成碳化硅外延層。通過(guò)本實(shí)用新型提供的設(shè)備制得的碳化硅外延片厚度更均勻，且裝置簡(jiǎn)單，為改善傳統(tǒng)設(shè)備最可行和最為廉價(jià)的方法，不需要過(guò)多的成本投入，利于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種用于生產(chǎn)碳化硅外延片的化學(xué)氣相沉積設(shè)備
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本實(shí)用新型屬于化學(xué)氣相沉積領(lǐng)域，具體講涉及一種用于生產(chǎn)碳化硅外延片的化學(xué)氣相沉積設(shè)備。
【【背景技術(shù)】】
[0002]碳化硅(SiC)是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高導(dǎo)熱率、高載流子飽和漂移速度等特點(diǎn)，特別適合制作高溫、高壓、大功率電力電子等半導(dǎo)體器件，對(duì)混合電力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能逆變器以及智能電網(wǎng)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(wú)論是晶體生長(zhǎng)還是外延生長(zhǎng)都是不易的，生長(zhǎng)高質(zhì)量的外延片更是對(duì)工藝一種挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)碳化硅外延時(shí)反應(yīng)腔體、反應(yīng)腔體的潔凈度及其他工藝參數(shù)(溫度、壓強(qiáng)、反應(yīng)氣體流速等)都會(huì)對(duì)碳化硅外延層的質(zhì)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(chǎn)生影響。其中外延片的厚度均勻性及外延層的厚度都會(huì)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(zhì)量的重要指標(biāo)。在外延生長(zhǎng)中影響厚度均勻性及外延片的厚度的參數(shù)有:反應(yīng)腔體構(gòu)造，反應(yīng)腔體中溫度的分布，反應(yīng)腔體中氣流流量的大小，反應(yīng)腔體中各個(gè)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(shè)備，在外延生長(zhǎng)時(shí)，由于在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)氣體源通過(guò)反應(yīng)腔體時(shí)，存在“耗盡”現(xiàn)象，即反應(yīng)氣體平行于襯底流動(dòng)時(shí)，在氣流的流入方向濃度較大，由于“消耗”現(xiàn)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(huì)更厚而在靠近氣流流出方向的外延層會(huì)較薄。這種不均勻性對(duì)器件制造造成很大的影響，尤其是較厚的外延層。
[0004]專(zhuān)利號(hào)為ZL98812328.2，實(shí)用新型名稱(chēng)為生長(zhǎng)非常均勻的碳化硅外延層的專(zhuān)利中公開(kāi)了一種改良的化學(xué)氣相沉積方法，將反應(yīng)器加熱到碳化硅原料氣體在反應(yīng)器內(nèi)基體上形成外延層的溫度，讓原料氣體和載氣流過(guò)加熱的反應(yīng)器在基體上形成碳化硅外延層，同時(shí)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(dǎo)要低于氫氣熱導(dǎo)，使得原料氣體在通過(guò)反應(yīng)器時(shí)它的消耗比使用單一氫氣作載氣時(shí)的更低，但是其操作工藝復(fù)雜，并且要增加額外的氣體源，使得制造成本增加。近年來(lái)，在低壓器件方面碳化硅外延技術(shù)已經(jīng)很成熟，而在高壓器件方面的碳化硅厚外延技術(shù)仍然存在許多不足，如由于均勻性和表面缺陷的問(wèn)題難以實(shí)現(xiàn)較厚的碳化硅外延層；生長(zhǎng)速率太低，導(dǎo)致生長(zhǎng)高壓器件所需的厚碳化娃外延片的成本過(guò)聞。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]為獲得均勻性良好的碳化硅外延片，本實(shí)用新型提供了一種用于生長(zhǎng)碳化硅外延片的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，通過(guò)改進(jìn)腔體結(jié)構(gòu)，在其中增設(shè)一個(gè)弧形氣流阻擋環(huán)，將反應(yīng)腔體內(nèi)加熱到外延生成所需的溫度，再通入反應(yīng)氣體和載氣，碳化硅襯底上最終形成碳化硅外延層。增設(shè)的氣流阻擋環(huán)可以相對(duì)提高氣流流出區(qū)域內(nèi)反應(yīng)氣體的濃度，來(lái)彌補(bǔ)“消耗”現(xiàn)象造成的厚度較小問(wèn)題以實(shí)現(xiàn)碳化硅外延生長(zhǎng)厚度均勻的目的。
[0006]本實(shí)用新型的一種用于生產(chǎn)碳化硅外延片的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，設(shè)備腔體由內(nèi)向外依次為石墨支撐臺(tái)、石墨軟氈層、石英壁層和加熱感應(yīng)線(xiàn)圈，設(shè)備腔體還包括一個(gè)固定于石墨支撐臺(tái)上弧形氣流阻擋環(huán)。
[0007]本實(shí)用新型的設(shè)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)，本實(shí)用新型中采用的碳化硅襯底的形狀為圓形，設(shè)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]本實(shí)用新型的設(shè)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(xiàn)象，保證了阻擋環(huán)區(qū)域內(nèi)的氣體濃度的穩(wěn)定，阻擋環(huán)為高純石墨時(shí)，可以減少雜質(zhì)對(duì)碳化娃外延生長(zhǎng)的影響。
[0009]本實(shí)用新型的設(shè)備，其中，阻擋環(huán)接觸支撐臺(tái)，通過(guò)石墨螺絲直接加固于石墨支撐臺(tái)上，阻擋環(huán)的設(shè)置高度為0.3?0.7cm，對(duì)氣流的阻力均衡，不產(chǎn)生渦流，保證了氣流的穩(wěn)定。
[0010]將本實(shí)用新型的設(shè)備用于外延片的生產(chǎn)中，特別是碳化硅外延片。
[0011]本實(shí)用新型的設(shè)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(zhì)向反應(yīng)腔體里擴(kuò)散。
[0012]本實(shí)用新型提供的設(shè)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(wèn)題，改進(jìn)碳化硅外延生長(zhǎng)的反應(yīng)腔體，在腔體內(nèi)的氣流流出方向安裝一個(gè)氣流阻擋環(huán)，通過(guò)阻擋環(huán)的作用來(lái)提高氣流流出方向區(qū)域內(nèi)反應(yīng)氣體的濃度，來(lái)彌補(bǔ)“消耗”現(xiàn)象造成的厚度較小的問(wèn)題。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型克服了傳統(tǒng)反應(yīng)源因在氣流方向上的“耗盡”現(xiàn)象而產(chǎn)生的氣流上方厚度較厚和氣流下方厚度較小問(wèn)題。通過(guò)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% ;本實(shí)用新型還有一優(yōu)勢(shì)是:在使用中經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單并且不造成過(guò)多的成本投入。
[0014]傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,簡(jiǎn)稱(chēng)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(yīng)腔體內(nèi)，然后往反應(yīng)腔體內(nèi)通入惰性氣體(一般為H2氣)，并使腔體內(nèi)維持一定的壓力，再對(duì)反應(yīng)腔體進(jìn)行加熱，一般要加熱至1500°C以上，再通入反應(yīng)氣體源(比如=SiH4作為硅源，C2H4作為碳源，H2 一般為載氣)，在此條件下，會(huì)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，本實(shí)用新型所述的反應(yīng)腔體為圓柱形，由里到外，依次為:石墨支撐臺(tái)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(duì)腔體產(chǎn)生污染,石墨支撐臺(tái)4四周由石墨軟租層3包裹，作為保溫層和感應(yīng)線(xiàn)圈I一并用于維持反應(yīng)腔體內(nèi)碳化硅外延生長(zhǎng)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(yīng)腔體壁，石英壁層2外面是一圈感應(yīng)線(xiàn)圈1，為反應(yīng)腔體提供熱量，左邊是進(jìn)氣口 7，右邊是出氣口 6，氣流從反應(yīng)腔體左端進(jìn)來(lái)，經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)時(shí)，先在常壓下，將反應(yīng)腔體內(nèi)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(nèi)壓力維持在低壓狀態(tài)(20?60Torr)，一般40Torr，開(kāi)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(jìn)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(guò)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(yīng)氣體源娃源SiH4等(2~50sccm)和碳源C2H4等(2~50sCCm)以及摻雜劑進(jìn)行外延生長(zhǎng)，等生長(zhǎng)到目標(biāo)厚度即可切斷反應(yīng)源和電源開(kāi)始冷卻。利用傅里葉紅外光譜分析儀(FTIR)，沿氣流方向測(cè)試試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)試厚度，確定氣流方向外延片的均勻性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
[0015]表1外延片厚度均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
【權(quán)利要求】
1.一種用于生產(chǎn)碳化娃外延片的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，設(shè)備腔體由內(nèi)向外依次為石墨支撐臺(tái)、石墨軟氈層、石英壁層和加熱感應(yīng)線(xiàn)圈，所述設(shè)備腔體還包括一個(gè)固定于石墨支撐臺(tái)上弧形氣流阻擋環(huán)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)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(shè)置高度為0.3?0.7cm。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述阻擋環(huán)的弧度為90?180度。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述阻擋環(huán)通過(guò)石墨螺絲固定于支撐臺(tái)上。
【文檔編號(hào)】C30B25/10GK203474963SQ201320397113
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月4日
【發(fā)明者】鈕應(yīng)喜, 楊霏, 于坤山 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院