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CN105869996A - 一种碳化硅外延生长系统及其生长方法 - Google Patents

一种碳化硅外延生长系统及其生长方法 Download PDF

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钮应喜
杨霏
温家良
潘艳
王嘉铭
李永平
田亮
吴昊
李玲
查祎英
郑柳
夏经华
桑玲
刘瑞
张文婷
李嘉琳
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Global Energy Interconnection Research Institute Co Ltd
State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
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Global Energy Interconnection Research Institute Co Ltd
State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
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    • H10P14/20—
    • H10P14/2904—
    • H10P14/3208—
    • H10P14/3408—

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Abstract

本发明提供一种碳化硅外延生长系统及其生长方法。本发明提供的外延系统可进行慢速生长、快速生长、N型掺杂、P型掺杂、单层外延生长、多层外延生长、薄膜外延层生长、厚膜外延层生长、选择性刻蚀等多种功能性的碳化硅外延生长；该系统可依据外延结构要求选择生长模式，生长适合的外延材料。本发明提供的技术方案生长的外延材料质量更优，缺陷更少，更适合应用于高电压电力电子器件中；其适合范围广、生长方法简单、加工成本低，适合工业化生产。

Description

一种碳化硅外延生长系统及其生长方法
技术领域
本发明涉及一种半导体材料生长系统，具体讲，涉及一种多功能性的碳化硅外延生长系统及其生长方法。
背景技术
碳化硅(SiC)是继第一代半导体材料硅、锗和第二代半导体材料砷化镓、磷化铟后发展起来的第三代半导体材料。宽禁带是硅和砷化镓的2～3倍的碳化硅材料使半导体器件能在500℃以上的温度下具有发射蓝光的能力；其中的高击穿电场比硅和砷化镓均高一个数量级，这决定了具有高压、大功率的性能；高的饱和电子漂移速度和低介电常数又决定了该器件高频、高速的工作性能，分别是硅和砷化镓导热率的3.3倍和10倍的性能，意味着该器件导热性能好，电路的集成度显著提高、冷却散热系统大大减少，整机的体积大大压缩。
随着碳化硅材料和器件工艺的不断完善，部分Si领域被碳化硅替代指日可待。此外，由于碳化硅具有宽带隙、高临界击穿场强、高热导率、高电子饱和飘逸速率等特点，特别适合大功率、高电压电力电子器件，而成为当前电力电子领域的研究热点。
高电压电力电子器件，需要超厚碳化硅外延层的厚度达200微米，由于器件结构的要求，又需进行多层外延结构以及不同的掺杂层。但是，传统的碳化硅外延生长系统单一，仅能进行慢速生长模式，不能生长厚膜，无法满足高电压电力电子器件的需求，因此，亟待开发一种适用于高电压电力电子器件的多功能外延生长系统。
发明内容
本发明提供一种具有多功能性的碳化硅外延生长系统及其生长方法，该外延系统可进行慢速生长、快速生长、N型掺杂、P型掺杂、单层外延生长、多层外延生长、薄膜外延层生长、厚膜外延层生长、选择性刻蚀等多种功能性的碳化硅外延生长；该系统可依据器件的需求，生长适合的外延材料，其适合范围广、生长方法简单、加工成本低，适合工业化生产。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种碳化硅外延生长系统，包括反应腔体及与其连接的尾气处理系统，与所述反应腔体连接的源气控制供应系统包括慢速生长单元、快速生长单元、N型掺杂单元、P型掺杂单元、单层外延生长单元、多层外延生长单元、薄膜外延层生长单元、厚膜外延层生长单元和选择性刻蚀单元。所述反应腔体为长方体；所述尾气处理系统设有与反应腔体连接的尾气处理器。
进一步的，所述反应腔体与并联后的氢气罐、氮气罐、乙烯罐、硅烷罐、氯化氢罐、TCS罐和TMA罐连接，其中的TCS罐和TMA罐通过并联管线与氢气罐连接。
进一步的，所述慢速生长单元设有与反应腔体连接的氢气罐、硅烷罐和乙烯罐。
进一步的，所述快速生长单元设有与反应腔体连接的氢气罐、TCS罐和乙烯罐。
进一步的，所述快速生长单元设有与反应腔体连接的氢气罐、硅烷罐、氯化氢罐和乙烯罐。
进一步的，所述N型掺杂单元包括氮气罐，N型掺杂单元通过采用氮气作掺杂剂实现；所述P型掺杂单元包括TMA罐，所述P型掺杂通过采用TMA作掺杂剂来实现。
进一步的，所述TCS为三甲基铝；所述TMA为三氯氢硅。
进一步的，所述单层外延生长单元的单层为P型或N型的一层外延层；所述多层外延生长单元的多层为P型、N型多层外延层中的一种或多种。
进一步的，所述薄膜外延层生长单元中薄层外延层厚度为0～50um；所述厚膜外延层生长单元中厚膜外延层厚度为50um以上。
进一步的，所述选择性刻蚀单元设有与反应腔体连接的氯化氢罐。
一种碳化硅外延片的生长方法包括下述步骤：
a.加热升温：于真空的反应腔中充入氢气至2000～50000帕，升温至900℃～1600℃；
b.原位蚀刻：通入氯化氢气体对碳化硅衬底进行原位蚀刻3～20min后用氢气吹拂3～15min；
c.缓冲层生长：加热至1600～1700℃后，采用慢速生长模式，生长时间0.2～3min；
d.厚膜沉积生长：加热至1600～1700℃后，采用快速生长模式，生长时间20～120min；
e.薄膜沉积生长：采用慢速生长模式，生长时间0.5～5min；
f.降温。
进一步的，所述步骤c中缓冲层生长、步骤d中厚膜沉积生长和步骤e中薄膜沉积生长的掺杂类型为P型或N型。
进一步的，所述步骤d和步骤e的生长次数为0～10次。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
1、本发明提供的方案为多功能性外延生长系统，可根据外延结构要求选择生长模式，生长的外延材料质量更优，缺陷更少，更适合应用于高电压电力电子器件中；
2、本发明提供的系统可依据器件的需求，生长适合的外延材料，其适合范围广、生长方法简单、加工成本低，操作简单，实用性强，工艺重复性好，适合工业化连续生产；
3、本发明提供的技术方案生长碳化硅外延材料，不需要多台固定资产投资，生产设备显著简化，占用面积小，加工成本更低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明外延生长系统的示意图；
图2本发明实施例4中外延片的缺陷分布图；
图3本发明实施例4中外延片的原子力显微镜图；
图中：1、反应腔体；2、尾气处理器；3、氢气；4、氮气；5、乙烯；6、硅烷；7、氯化氢；8、TCS；9、TMA。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，提供了一种碳化硅外延生长系统，该外延生长系统包括反应腔体1及与其连接的尾气处理系统，与反应腔体1连接的源气控制供应系统包括慢速生长单元、快速生长单元、N型掺杂单元、P型掺杂单元、单层外延生长单元、多层外延生长单元、薄膜外延层生长单元、厚膜外延层生长单元和选择性刻蚀单元。反应腔体1为长方体；尾气处理系统设有与反应腔体1连接的尾气处理器2。反应腔体1与并联后的氢气3罐、氮气4罐、乙烯5罐、硅烷6罐、氯化氢7罐、TCS8罐和TMA9罐连接，其中的TCS8罐和TMA9罐通过并联管线与氢气3罐连接。
慢速生长单元设有与反应腔体1连接的氢气3罐、硅烷6罐和乙烯5罐。快速生长单元设有与反应腔体1连接的氢气3罐、TCS8罐和乙烯5罐。快速生长单元设有与反应腔体1连接的氢气3罐、硅烷6罐、氯化氢7罐和乙烯5罐。
N型掺杂单元包括氮气4罐，N型掺杂单元通过采用氮气4作掺杂剂实现；P型掺杂单元包括TMA9罐，P型掺杂通过采用TMA9作掺杂剂来实现。TCS8为三甲基铝；TMA9为三氯氢硅。
单层外延生长单元的单层为P型或N型的一层外延层；多层外延生长单元的多层为P型、N型多层外延层中的一种或多种。薄膜外延层生长单元中薄层外延层厚度为0～50um；厚膜外延层生长单元中厚膜外延层厚度为50um以上。选择性刻蚀单元设有与反应腔体1连接的氯化氢7罐。
实施例1
一种N+NP型低缺陷厚度碳化硅外延片制备方法，包括以下步骤：
1)加热升温：于真空的反应腔体1中充入氢气3至40000帕，升温至1550℃；
2)在线刻蚀衬底：准备材料为4H-SiC的衬底，抽真空，通入流量为40L/min的氢气3和5L/min的氯化氢7，反应室内压力为40mbar，温度为1680℃，维持3min；
3)N+型缓冲层的生长：停止通入氯化氢7，降温至1650℃，通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1500mL/min的氮气4为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长0.4μm厚的缓冲层；
4)N型厚膜外延层的生长：将40L/min流量的氢气3、10mL/min的TCS8和5mL/min的乙烯5通入反应室，保持温度为1650℃、压力40mbar，以800mL/min流量的氮气4为掺杂剂，生长80μm厚的外延层；
5)P型薄膜外延层的生长：通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1500mL/min的TMA9为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长10μm厚的外延层；
6)降温。
实施例2
一种N+NNP型低缺陷厚度碳化硅外延片制备方法，包括以下步骤：
1)加热升温：于真空的反应腔体1中充入氢气3至40000帕，升温至1400℃；
2)在线刻蚀衬底：准备材料为4H-SiC的衬底，抽真空，通入流量为40L/min的氢气3和5L/min的氯化氢7，反应室内压力为40mbar，温度为1680℃，维持5min；
3)N+型缓冲层的生长：停止通入氯化氢7，降温至1650℃，通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1500mL/min的氮气4为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长0.4μm厚的缓冲层；
4)N型薄膜外延层的生长：通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1500mL/min的氮气4为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长10μm厚的外延层；
5)N型厚膜外延层的生长：将40L/min流量的氢气3、10mL/min的TCS8和5mL/min的乙烯5通入反应室，保持温度为1650℃、压力40mbar，以800mL/min流量的氮气4为掺杂剂，生长100μm厚的外延层；
6)P型薄膜外延层的生长：通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1500mL/min的TMA9为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长10μm厚的外延层；
7)降温。
实施例3
一种N+N型低缺陷厚度碳化硅外延片制备方法，包括以下步骤：
1)加热升温：于真空的反应腔体1中充入氢气3至40000帕，升温至1000℃；
2)在线刻蚀衬底：准备材料为4H-SiC的衬底，抽真空，通入流量为40L/min的氢气3和5L/min的氯化氢7，反应室内压力为40mbar，温度为1680℃，维持10min；
3)N+型缓冲层的生长：停止通入氯化氢7，降温至1650℃，通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1500mL/min的氮气4为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长0.4μm厚的缓冲层；
4)N型厚膜外延层的生长：将40L/min流量的氢气3、10mL/min的TCS8和5mL/min的乙烯5通入反应室，保持温度为1650℃、压力40mbar，以800mL/min流量的氮气4为掺杂剂，生长150μm厚的外延层；
5)降温。
实施例4
一种N+P+PP+P++型低缺陷厚度碳化硅外延片制备方法，包括以下步骤：
1)加热升温：于真空的反应腔体1中充入氢气3至40000帕，升温至1600℃；
2)在线刻蚀衬底：准备材料为4H-SiC的衬底，抽真空，通入流量为40L/min的氢气3和5L/min的氯化氢7，反应室内压力为40mbar，温度为1680℃，维持3min；
3)N+型缓冲层的生长：停止通入氯化氢7，降温至1650℃，通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1500mL/min的氮气4为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长5μm厚的缓冲层；
4)P+型薄膜外延层的生长：通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1500mL/min的TMA9为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长1μm厚的外延层；
5)P型厚膜外延层的生长：将40L/min流量的氢气3、10mL/min的TCS8和5mL/min的乙烯5通入反应室，保持温度为1650℃、压力40mbar，以800mL/min流量的TMA9为掺杂剂，生长180μm厚的外延层；
6)P+型薄膜外延层的生长：通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1500mL/min的TMA9为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长10μm厚的外延层；
7)P++型薄膜外延层的生长：通入流量为6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量为1700mL/min的TMA9为掺杂剂，生长压力为40mbar，生长0.5μm厚的外延层；
8)降温。
缺陷测试
用Cadela CS20缺陷分析仪对本发明实施例4制备的10μm厚的碳化硅外延材料的表面缺陷进行测试，如图2所示，测试得表面缺陷密度达0.16/cm2。
表面粗糙度测试
用原子力显微镜对本发明实施例4制备的的碳化硅材料的表面形貌及粗糙度进行测试，如图3所示，测试得表面粗糙度均方根为0.15nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅外延生长系统，包括反应腔体(1)及与其连接的尾气处理系统，其特征在于，与所述反应腔体(1)连接的源气控制供应系统包括慢速生长单元、快速生长单元、N型掺杂单元、P型掺杂单元、单层外延生长单元、多层外延生长单元、薄膜外延层生长单元、厚膜外延层生长单元和选择性刻蚀单元。
2.如权利要求1所述的碳化硅外延生长系统，其特征在于，所述反应腔体(1)与并联后的氢气(3)罐、氮气(4)罐、乙烯(5)罐、硅烷(6)罐、氯化氢(7)罐、TCS(8)罐和TMA(9)罐连接，其中的TCS(8)罐和TMA(9)罐通过并联管线与氢气(3)罐连接。
3.如权利要求1所述的碳化硅外延生长系统，其特征在于，所述慢速生长单元设有与反应腔体(1)连接的氢气(3)罐、硅烷(6)罐和乙烯(5)罐。
4.如权利要求1所述的碳化硅外延生长系统，其特征在于，所述快速生长单元设有与反应腔体(1)连接的氢气(3)罐、硅烷(6)罐、氯化氢(7)罐和乙烯(5)罐，或者该快速生长单元设有与反应腔体(1)连接的氢气(3)罐、TCS(8)罐和乙烯(5)罐。
5.如权利要求1所述的碳化硅外延生长系统，其特征在于，所述N型和P型掺杂单元分别采用氮气(4)、TMA(9)作掺杂剂。
6.如权利要求1所述的碳化硅外延生长系统，其特征在于，所述单层外延生长单元的单层为P型或N型的一层外延层；所述多层外延生长单元的多层为P型、N型多层外延层中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的碳化硅外延生长系统，其特征在于，所述薄膜和厚膜外延层生长单元制备的外延层厚度分别为0～50um、50um以上。
8.如权利要求1所述的碳化硅外延生长系统，其特征在于，所述选择性刻蚀单元设有与反应腔体(1)连接的氯化氢(7)罐。
9.一种碳化硅外延片的生长方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
a.加热升温：于真空反应腔中充入氢气(3)至2000～50000帕，升温至900℃～1600℃；
b.原位蚀刻：通入氯化氢(7)对碳化硅衬底进行原位蚀刻3～20min后用氢气(3)吹拂3～15min；
c.缓冲层生长：加热至1600～1700℃后，采用慢速生长模式生长0.2～3min；
d.厚膜沉积生长：加热至1600～1700℃后，采用快速生长模式生长20～120min；
e.薄膜沉积生长：采用慢速生长模式生长0.5～5min；
f.降温。
10.如权利要求8所述的生长方法，其特征在于，所述步骤c中缓冲层生长、步骤d中厚膜沉积生长和步骤e中薄膜沉积生长的掺杂类型为P型或N型；所述步骤d和步骤e的生长次数为0～10次。
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