一种碳化硅外延生长系统的制作方法

本实用新型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。

技术实现要素：

本实用新型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，本实用新型采用以下技术方案：

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，本实用新型提供的技术方案具有如下优异效果：

1、本实用新型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、本实用新型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、本实用新型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实用新型中的技术方案，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实用新型的一些实施例，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本实用新型外延生长系统的示意图；

图2本实用新型实施例4中外延片的缺陷分布图；

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

下面将对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

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缺陷分析仪对本实用新型实施例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实用新型实施例4制备的的碳化硅材料的表面形貌及粗糙度进行测试，测试得表面粗糙度均方根为0.15nm。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本实用新型待批权利要求保护范围之内。