本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)系統(tǒng)，具體講，涉及一種多功能性的碳化硅外延生長(zhǎng)系統(tǒng)及其生長(zhǎng)方法。

背景技術(shù)：

碳化硅(SiC)是繼第一代半導(dǎo)體材料硅、鍺和第二代半導(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。寬禁帶是硅和砷化鎵的2～3倍的碳化硅材料使半導(dǎo)體器件能在500℃以上的溫度下具有發(fā)射藍(lán)光的能力；其中的高擊穿電場(chǎng)比硅和砷化鎵均高一個(gè)數(shù)量級(jí)，這決定了具有高壓、大功率的性能；高的飽和電子漂移速度和低介電常數(shù)又決定了該器件高頻、高速的工作性能，分別是硅和砷化鎵導(dǎo)熱率的3.3倍和10倍的性能，意味著該器件導(dǎo)熱性能好，電路的集成度顯著提高、冷卻散熱系統(tǒng)大大減少，整機(jī)的體積大大壓縮。

隨著碳化硅材料和器件工藝的不斷完善，部分Si領(lǐng)域被碳化硅替代指日可待。此外，由于碳化硅具有寬帶隙、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高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，而成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

高電壓電力電子器件，需要超厚碳化硅外延層的厚度達(dá)200微米，由于器件結(jié)構(gòu)的要求，又需進(jìn)行多層外延結(jié)構(gòu)以及不同的摻雜層。但是，傳統(tǒng)的碳化硅外延生長(zhǎng)系統(tǒng)單一，僅能進(jìn)行慢速生長(zhǎng)模式，不能生長(zhǎng)厚膜，無(wú)法滿足高電壓電力電子器件的需求，因此，亟待開發(fā)一種適用于高電壓電力電子器件的多功能外延生長(zhǎng)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種具有多功能性的碳化硅外延生長(zhǎng)系統(tǒng)及其生長(zhǎng)方法，該外延系統(tǒng)可進(jìn)行慢速生長(zhǎng)、快速生長(zhǎng)、N型摻雜、P型摻雜、單層外延生長(zhǎng)、多層外延生長(zhǎng)、薄膜外延層生長(zhǎng)、厚膜外延層生長(zhǎng)、選擇性刻蝕等多種功能性的碳化硅外延生長(zhǎng)；該系統(tǒng)可依據(jù)器件的需求，生長(zhǎng)適合的外延材料，其適合范圍廣、生長(zhǎng)方法簡(jiǎn)單、加工成本低，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種碳化硅外延生長(zhǎng)系統(tǒng)，包括反應(yīng)腔體及與其連接的尾氣處理系統(tǒng)，與所述反應(yīng)腔體連接的源氣控制供應(yīng)系統(tǒng)包括慢速生長(zhǎng)單元、快速生長(zhǎng)單元、N型摻雜單元、P型摻雜單元、單層外延生長(zhǎng)單元、多層外延生長(zhǎng)單元、薄膜外延層生長(zhǎng)單元、厚膜外延層生長(zhǎng)單元和選擇性刻蝕單元。所述反應(yīng)腔體為長(zhǎng)方體；所述尾氣處理系統(tǒng)設(shè)有與反應(yīng)腔體連接的尾氣處理器。

進(jìn)一步的，所述反應(yīng)腔體與并聯(lián)后的氫氣罐、氮?dú)夤?、乙烯罐、硅烷罐、氯化氫罐、TCS罐和TMA罐連接，其中的TCS罐和TMA罐通過并聯(lián)管線與氫氣罐連接。

進(jìn)一步的，所述慢速生長(zhǎng)單元設(shè)有與反應(yīng)腔體連接的氫氣罐、硅烷罐和乙烯罐。

進(jìn)一步的，所述快速生長(zhǎng)單元設(shè)有與反應(yīng)腔體連接的氫氣罐、TCS罐和乙烯罐。

進(jìn)一步的，所述快速生長(zhǎng)單元設(shè)有與反應(yīng)腔體連接的氫氣罐、硅烷罐、氯化氫罐和乙烯罐。

進(jìn)一步的，所述N型摻雜單元包括氮?dú)夤?，N型摻雜單元通過采用氮?dú)庾鲹诫s劑實(shí)現(xiàn)；所述P型摻雜單元包括TMA罐，所述P型摻雜通過采用TMA作摻雜劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步的，所述TCS為三甲基鋁；所述TMA為三氯氫硅。

進(jìn)一步的，所述單層外延生長(zhǎng)單元的單層為P型或N型的一層外延層；所述多層外延生長(zhǎng)單元的多層為P型、N型多層外延層中的一種或多種。

進(jìn)一步的，所述薄膜外延層生長(zhǎng)單元中薄層外延層厚度為0～50um；所述厚膜外延層生長(zhǎng)單元中厚膜外延層厚度為50um以上。

進(jìn)一步的，所述選擇性刻蝕單元設(shè)有與反應(yīng)腔體連接的氯化氫罐。

一種碳化硅外延片的生長(zhǎng)方法包括下述步驟：

a.加熱升溫：于真空的反應(yīng)腔中充入氫氣至2000～50000帕，升溫至900℃～1600℃；

b.原位蝕刻：通入氯化氫氣體對(duì)碳化硅襯底進(jìn)行原位蝕刻3～20min后用氫氣吹拂3～15min；

c.緩沖層生長(zhǎng)：加熱至1600～1700℃后，采用慢速生長(zhǎng)模式，生長(zhǎng)時(shí)間0.2～ 3min；

d.厚膜沉積生長(zhǎng)：加熱至1600～1700℃后，采用快速生長(zhǎng)模式，生長(zhǎng)時(shí)間20～120min；

e.薄膜沉積生長(zhǎng)：采用慢速生長(zhǎng)模式，生長(zhǎng)時(shí)間0.5～5min；

f.降溫。

進(jìn)一步的，所述步驟c中緩沖層生長(zhǎng)、步驟d中厚膜沉積生長(zhǎng)和步驟e中薄膜沉積生長(zhǎng)的摻雜類型為P型或N型。

進(jìn)一步的，所述步驟d和步驟e的生長(zhǎng)次數(shù)為0～10次。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案具有如下優(yōu)異效果：

1、本實(shí)用新型提供的方案為多功能性外延生長(zhǎng)系統(tǒng)，可根據(jù)外延結(jié)構(gòu)要求選擇生長(zhǎng)模式，生長(zhǎng)的外延材料質(zhì)量更優(yōu)，缺陷更少，更適合應(yīng)用于高電壓電力電子器件中；

2、本實(shí)用新型提供的系統(tǒng)可依據(jù)器件的需求，生長(zhǎng)適合的外延材料，其適合范圍廣、生長(zhǎng)方法簡(jiǎn)單、加工成本低，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，工藝重復(fù)性好，適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)；

3、本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案生長(zhǎng)碳化硅外延材料，不需要多臺(tái)固定資產(chǎn)投資，生產(chǎn)設(shè)備顯著簡(jiǎn)化，占用面積小，加工成本更低。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1本實(shí)用新型外延生長(zhǎng)系統(tǒng)的示意圖；

圖2本實(shí)用新型實(shí)施例4中外延片的缺陷分布圖；

圖中：1、反應(yīng)腔體；2、尾氣處理器；3、氫氣；4、氮?dú)猓?、乙烯；6、硅烷；7、氯化氫；8、TCS；9、TMA。

具體實(shí)施方式

下面將對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本 實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

如圖1所示，提供了一種碳化硅外延生長(zhǎng)系統(tǒng)，該外延生長(zhǎng)系統(tǒng)包括反應(yīng)腔體1及與其連接的尾氣處理系統(tǒng)，與反應(yīng)腔體1連接的源氣控制供應(yīng)系統(tǒng)包括慢速生長(zhǎng)單元、快速生長(zhǎng)單元、N型摻雜單元、P型摻雜單元、單層外延生長(zhǎng)單元、多層外延生長(zhǎng)單元、薄膜外延層生長(zhǎng)單元、厚膜外延層生長(zhǎng)單元和選擇性刻蝕單元。反應(yīng)腔體1為長(zhǎng)方體；尾氣處理系統(tǒng)設(shè)有與反應(yīng)腔體1連接的尾氣處理器2。反應(yīng)腔體1與并聯(lián)后的氫氣3罐、氮?dú)?罐、乙烯5罐、硅烷6罐、氯化氫7罐、TCS8罐和TMA9罐連接，其中的TCS8罐和TMA9罐通過并聯(lián)管線與氫氣3罐連接。

慢速生長(zhǎng)單元設(shè)有與反應(yīng)腔體1連接的氫氣3罐、硅烷6罐和乙烯5罐?？焖偕L(zhǎng)單元設(shè)有與反應(yīng)腔體1連接的氫氣3罐、TCS8罐和乙烯5罐?？焖偕L(zhǎng)單元設(shè)有與反應(yīng)腔體1連接的氫氣3罐、硅烷6罐、氯化氫7罐和乙烯5罐。

N型摻雜單元包括氮?dú)?罐，N型摻雜單元通過采用氮?dú)?作摻雜劑實(shí)現(xiàn)；P型摻雜單元包括TMA9罐，P型摻雜通過采用TMA9作摻雜劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。TCS8為三甲基鋁；TMA9為三氯氫硅。

單層外延生長(zhǎng)單元的單層為P型或N型的一層外延層；多層外延生長(zhǎng)單元的多層為P型、N型多層外延層中的一種或多種。薄膜外延層生長(zhǎng)單元中薄層外延層厚度為0～50um；厚膜外延層生長(zhǎng)單元中厚膜外延層厚度為50um以上。選擇性刻蝕單元設(shè)有與反應(yīng)腔體1連接的氯化氫7罐。

實(shí)施例1

一種N⁺NP型低缺陷厚度碳化硅外延片制備方法，包括以下步驟：

1)加熱升溫：于真空的反應(yīng)腔體1中充入氫氣3至40000帕，升溫至1550℃；

2)在線刻蝕襯底：準(zhǔn)備材料為4H-SiC的襯底，抽真空，通入流量為40L/min的氫氣3和5L/min的氯化氫7，反應(yīng)室內(nèi)壓力為40mbar，溫度為1680℃，維持3min；

3)N⁺型緩沖層的生長(zhǎng)：停止通入氯化氫7，降溫至1650℃，通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量為1500mL/min的氮?dú)?為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)0.4μm厚的緩沖層；

4)N型厚膜外延層的生長(zhǎng)：將40L/min流量的氫氣3、10mL/min的TCS8和5mL/min的乙烯5通入反應(yīng)室，保持溫度為1650℃、壓力40mbar，以800mL/min流量的氮?dú)?為摻雜劑，生長(zhǎng)80μm厚的外延層；

5)P型薄膜外延層的生長(zhǎng)：通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量為1500mL/min的TMA9為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)10μm厚的外延層；

6)降溫。

實(shí)施例2

一種N⁺NNP型低缺陷厚度碳化硅外延片制備方法，包括以下步驟：

1)加熱升溫：于真空的反應(yīng)腔體1中充入氫氣3至40000帕，升溫至1400℃；

2)在線刻蝕襯底：準(zhǔn)備材料為4H-SiC的襯底，抽真空，通入流量為40L/min的氫氣3和5L/min的氯化氫7，反應(yīng)室內(nèi)壓力為40mbar，溫度為1680℃，維持5min；

3)N⁺型緩沖層的生長(zhǎng)：停止通入氯化氫7，降溫至1650℃，通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量為1500mL/min的氮?dú)?為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)0.4μm厚的緩沖層；

4)N型薄膜外延層的生長(zhǎng)：通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量為1500mL/min的氮?dú)?為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)10μm厚的外延層；

5)N型厚膜外延層的生長(zhǎng)：將40L/min流量的氫氣3、10mL/min的TCS8和5mL/min的乙烯5通入反應(yīng)室，保持溫度為1650℃、壓力40mbar，以800mL/min流量的氮?dú)?為摻雜劑，生長(zhǎng)100μm厚的外延層；

6)P型薄膜外延層的生長(zhǎng)：通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量為1500mL/min的TMA9為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)10μm厚的外延層；

7)降溫。

實(shí)施例3

一種N⁺N型低缺陷厚度碳化硅外延片制備方法，包括以下步驟：

1)加熱升溫：于真空的反應(yīng)腔體1中充入氫氣3至40000帕，升溫至1000℃；

2)在線刻蝕襯底：準(zhǔn)備材料為4H-SiC的襯底，抽真空，通入流量為40L/min的氫氣3和5L/min的氯化氫7，反應(yīng)室內(nèi)壓力為40mbar，溫度為1680℃，維持10min；

3)N⁺型緩沖層的生長(zhǎng)：停止通入氯化氫7，降溫至1650℃，通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量為1500mL/min的氮?dú)?為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)0.4μm厚的緩沖層；

4)N型厚膜外延層的生長(zhǎng)：將40L/min流量的氫氣3、10mL/min的TCS8和5mL/min的乙烯5通入反應(yīng)室，保持溫度為1650℃、壓力40mbar，以800mL/min流量的氮?dú)?為摻雜劑，生長(zhǎng)150μm厚的外延層；

5)降溫。

實(shí)施例4

一種N⁺P⁺PP⁺P⁺⁺型低缺陷厚度碳化硅外延片制備方法，包括以下步驟：

1)加熱升溫：于真空的反應(yīng)腔體1中充入氫氣3至40000帕，升溫至1600℃；

2)在線刻蝕襯底：準(zhǔn)備材料為4H-SiC的襯底，抽真空，通入流量為40L/min的氫氣3和5L/min的氯化氫7，反應(yīng)室內(nèi)壓力為40mbar，溫度為1680℃，維持3min；

3)N⁺型緩沖層的生長(zhǎng)：停止通入氯化氫7，降溫至1650℃，通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量為1500mL/min的氮?dú)?為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)5μm厚的緩沖層；

4)P⁺型薄膜外延層的生長(zhǎng)：通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量為1500mL/min的TMA9為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)1μm厚的外延層；

5)P型厚膜外延層的生長(zhǎng)：將40L/min流量的氫氣3、10mL/min的TCS8和5mL/min的乙烯5通入反應(yīng)室，保持溫度為1650℃、壓力40mbar，以800mL/min流量的TMA9為摻雜劑，生長(zhǎng)180μm厚的外延層；

6)P⁺型薄膜外延層的生長(zhǎng)：通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的乙烯5，以流量為1500mL/min的TMA9為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)10μm厚的外延層；

7)P⁺⁺型薄膜外延層的生長(zhǎng)：通入流量為6mL/min的硅烷6和3mL/min的 乙烯5，以流量為1700mL/min的TMA9為摻雜劑，生長(zhǎng)壓力為40mbar，生長(zhǎng)0.5μm厚的外延層；

8)降溫。

缺陷測(cè)試

用Cadela CS20缺陷分析儀對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例4制備的10μm厚的碳化硅外延材料的表面缺陷進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示，測(cè)試得表面缺陷密度達(dá)0.16/cm²。

表面粗糙度測(cè)試

用原子力顯微鏡對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例4制備的的碳化硅材料的表面形貌及粗糙度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試得表面粗糙度均方根為0.15nm。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均在本實(shí)用新型待批權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。