[實(shí)用新型]一種碳化硅外延生長(zhǎng)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320684806.8
• 申請(qǐng)日: 2013-10-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN203559154U
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鈕應(yīng)喜;楊霏;于坤山
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 國(guó)家電網(wǎng)公司;國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): C30B25/14
• 分類(lèi)號(hào): C30B25/14;C30B29/36
• 代理公司: 北京安博達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國(guó)文

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及晶體外延層生長(zhǎng)裝置，具體涉及一種碳化硅外延生長(zhǎng)裝置。

背景技術(shù)

碳化硅（SiC）是繼第一代半導(dǎo)體材料硅、鍺和第二帶半導(dǎo)體材料砷化鎵、磷化銦后發(fā)展起來(lái)的第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅材料的寬禁帶是硅和砷化鎵的2～3倍，使得半導(dǎo)體器件能在相當(dāng)高的溫度下（500℃以上）工作以及具有發(fā)射藍(lán)光的能力；高擊穿電場(chǎng)比硅和砷化鎵均要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，決定了半導(dǎo)體器件的高壓、大功率性能；高的飽和電子漂移速度和低介電常數(shù)決定了器件的高頻、高速工作性能；導(dǎo)熱率是硅的3.3倍，砷化鎵的10倍，意味著其導(dǎo)熱性能好，可以大大提高電路的集成度，減少冷卻散熱系統(tǒng)，從而大大減少整機(jī)的體積。因此可以預(yù)見(jiàn)不久的將來(lái)，隨著碳化硅材料和器件工藝的不斷完善，部分Si領(lǐng)域被碳化硅來(lái)替代指日可待。由于碳化硅具有寬帶隙、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和飄逸速率等特點(diǎn)，特別適合大功率、高電壓電力電子器件，成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前生長(zhǎng)SiC外延材料的主要方法為化學(xué)氣相傳輸法（CVD）。該方法可以生長(zhǎng)高純度、大尺寸的SiC外延片，并可有效地減少SiC外延材料中的各種缺陷。要獲得高質(zhì)量的外延晶體必須精確控制多種晶體生長(zhǎng)參數(shù)，如：沉積溫度、沉積室壓力、腔體真空、各反應(yīng)氣體分壓（配比）等。

化學(xué)氣相沉積原理：化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)碳化硅(SiC)晶體密閉反應(yīng)器，外部加熱使反應(yīng)室保持所需要反應(yīng)溫度，反應(yīng)氣體SiH4由H2或Ar載帶，與C2H4混合，再一起通入反應(yīng)器，反應(yīng)氣體高溫下分解生成碳化硅并附著襯底材料表面，并沿著材料表面不斷生長(zhǎng)，反應(yīng)產(chǎn)生殘余氣體廢棄處理裝置處理排放掉。

其主要包括如下反應(yīng)：2SiH4+C2H4=2SiC+6H2。

高電壓的碳化硅電力電子器件需要的外延層厚度達(dá)幾十微米到上百微米，一般電壓10kV的器件需要的外延厚度大約100um，而目前成熟的碳化硅外延生長(zhǎng)速率只有5～7um/h左右，如果在這樣的生長(zhǎng)速率下生長(zhǎng)100um的厚碳化硅外延材料，需要14-20個(gè)小時(shí)，顯然大大增加制造成本，并且隨著外延生長(zhǎng)周期的延長(zhǎng)，會(huì)在反應(yīng)腔壁沉積更多的污染物，進(jìn)而污染外延片，所以要生長(zhǎng)高質(zhì)量、厚的碳化硅外延片必須提高外延的生長(zhǎng)速率。

生長(zhǎng)速率慢的可能原因是反應(yīng)源氣體的分解率低和反應(yīng)氣體中易形成的硅聚集物，如何提高生長(zhǎng)速率即演變?yōu)樘岣叻磻?yīng)源的分解率或抑制硅聚集物的產(chǎn)生，現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)在反應(yīng)氣流中引入Cl化物，利用Cl元素的刻蝕作用來(lái)抑制硅聚集物的形成，以此來(lái)提高生長(zhǎng)速率，但是Cl化物的引入，要增加額外的氣體管道等設(shè)備，并且含有Cl元素的尾氣對(duì)環(huán)境污染極大。

另外，生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)存在“耗盡”現(xiàn)象，是指反應(yīng)氣體平行于襯底流動(dòng)時(shí)，在氣流的上方濃度較大，氣流的下方濃度較小，于是在襯底表面靠近氣流上方部位的外延層會(huì)更厚而在靠近氣流下方的部位的外延層會(huì)更薄。

高電壓器件所需的外延厚度越厚，由“耗盡”現(xiàn)象所引起的厚度不均勻性就越嚴(yán)重，所以在實(shí)現(xiàn)快速外延生長(zhǎng)的同時(shí)，也需解決不均勻性問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本實(shí)用新型提供了一種改進(jìn)的碳化硅外延生長(zhǎng)裝置，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是通過(guò)在反應(yīng)腔上方引入補(bǔ)氣管，通過(guò)補(bǔ)氣管，氣流從上往下進(jìn)入反應(yīng)室與反應(yīng)腔入口的氣流混合，在碳化硅襯底上經(jīng)過(guò)反應(yīng)形成碳化硅外延薄膜，再流出反應(yīng)腔，達(dá)到快速生長(zhǎng)高度均勻的碳化硅外延片的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為：

一種碳化硅外延生長(zhǎng)裝置，裝置為圓柱形，其反應(yīng)腔由內(nèi)至外依次設(shè)置石墨支撐層、石墨軟氈、石英壁和加熱線(xiàn)圈，并排設(shè)置的L型補(bǔ)氣管平行于圓柱形的軸向通過(guò)石墨軟氈并垂直通過(guò)石墨支撐層且正對(duì)石墨支撐層中部。

石墨支撐層用于支撐碳化硅襯底6，且可防止石墨軟氈3在高溫下分解對(duì)腔體產(chǎn)生污染。

石英壁為反應(yīng)腔體壁。

感應(yīng)線(xiàn)圈1為反應(yīng)腔體提供熱量。

進(jìn)一步的，補(bǔ)氣管內(nèi)壁鍍有鍍層，鍍層為碳化硅或碳化鉭鍍層，阻止石墨中的雜質(zhì)向反應(yīng)腔擴(kuò)散，厚度為70～100um。

進(jìn)一步的，補(bǔ)氣管直徑為0.5～1cm，由石墨制成。石墨在溫度1500℃～1700℃下，穩(wěn)定性好，不發(fā)生形變、軟化現(xiàn)象。

進(jìn)一步的，補(bǔ)氣管由高純石墨制成。減少了雜質(zhì)對(duì)碳化硅外延生長(zhǎng)的影響。

補(bǔ)氣管并排覆蓋反應(yīng)室整個(gè)截面。

可以兼容2英寸、3英寸、4英寸、6英寸等多尺寸碳化硅外延片的生長(zhǎng)。

補(bǔ)氣管經(jīng)過(guò)石墨軟氈包裹的熱區(qū)，提高了氣體源的有效分解速率，進(jìn)而提高了生長(zhǎng)速率。