一种碳化硅化学气相沉积方法及反应器与流程

1.本发明涉及半导体材料成型领域，尤其涉及一种碳化硅化学气相沉积方法及反应器。


背景技术：

2.近些年来，随着信息技术的发展，第三代半导体材料由于其优异的机械、热力、电子性能，一步步走上半导体材料的历史舞台，在新能源汽车、军用雷达、5g通讯器件等领域展现了非常诱人的应用前景。碳化硅热导率高，可以工作于温度条件更加恶劣的环境；击穿电压高，可用于制造更高功率的通讯器件；此外，碳化硅还有更高的饱和电子迁移率。进入21世纪，碳化硅材料的研发取得了重大突破，且已实现由小规模生长到大规模量产的进化。
3.碳化硅半导体器件主要的生产方法是化学气相沉积法，因其具有设备简单，生长速度快，生长较为稳定的特点。目前，商业化碳化硅化学气相沉积主要设备为立式或者水平式壁热化学气相沉积反应器。
4.无论是传统的立式反应器或者水平式反应器，都存在以下几个主要问题：（1）所有反应气体与载流气体入口均布置于同一位置，随主气流输送至基底表面，难于控制基底表面碳硅比与沉积均匀性。（2）反应器筒体积较大，占地面积大，设备制造成本较高，且设备利用率不高。（3）各个基底在反应器中对应的反应物气流状态不相同，基底生长质量与沉积速度不相同，生产出的晶体沉积厚度与质量差别较大。（4）反应气体混合过早，孪生结晶现象严重，反应器工作可持续性差。


技术实现要素：

5.本发明是为了克服现有技术中化学气相沉积碳化硅的过程中得到的碳化硅薄膜质量参差不齐的问题，提供了一种碳化硅化学气相沉积方法及反应器以克服上述缺陷。
6.为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：第一方面，本发明首先提供了一种碳化硅化学气相沉积方法，包括以下步骤：（1）提供一个圆盘状的化学气相沉积室；所述化学气相沉积室包括位于中心处的还原气体通入管；（2）在化学气相沉积室内部环绕还原气体通入管设置挡板；从而将化学气相沉积室沿周向分隔成若干相互独立且呈扇形的反应腔；（3）在反应腔靠近还原气体通入管处设置与还原气体通入管相连通的还原气体入口；在反应腔上端设置前驱体气体入口；在化学气相沉积室设置与反应腔相连通的气流出口；（4）在所述反应腔的中心处放置基底；从还原气体入口注入含有氢气以及惰性气体的还原气体；从前驱体气体入口向反应腔注入含si以及c元素的前驱体气体；
前驱体气体与氢气在反应腔中混合并发生反应，从而在基底的表面沉积碳化硅薄膜；（5）反应尾气从气流出口排出。
7.传统的碳化硅薄膜在沉积过程中通常是将惰性气体、还原性气体和前驱体气体统一布置于水平式反应器的中部，在这三种气体在反应器的中部经过混合后，得到的混合气体随气流扩散至基底表面，从而在在基底表面沉积生长碳化硅。
8.这种气相沉积方式虽然原理简单，同时对于设备的要求较低，但是在长久的实际使用下本技术的发明人发现：采用这种反应气体入口的布置方式，难以控制基底表面的碳硅比，同时反应性气体在基底表面的分布均匀性较差，以上两点最终导致沉积形成的碳化硅薄膜均匀性较差，且同时容易在基底以外区域发生孪生结晶现象，同时影响设备运行。
9.本发明针对现有技术中的上述缺陷，提供了一种新的解决思路。首先本发明在气相沉积碳化硅薄膜的过程中重新布局了化学气相沉积室内部的结构，同时还重新布局了反应性气体的通入方式。
10.针对化学气相沉积室内部的结构：本技术发明人将原本常规的圆盘状的水平式反应器内部通过挡板进行分割，从而将化学气相沉积室沿周向分隔成若干相互独立且呈扇形的反应腔。反应腔的数量可以由挡板的数量决定，因此可以通过增加挡板数量的方式，将该反应器分割为更多扇形生长空间，实现更多基底生长。
11.由于各个反应腔的空间相对较小，且互相独立，当将基底分别置于不同的反应腔内部时，反应性气体在通入到各个反应腔内部后，反应气体在基底表面的浓度以及均匀性能够有效提升，因此使得碳化硅能够在基底表面均匀沉积，从而对沉积反应速率及沉积均匀性具有积极影响。
12.此外，由于各个反应腔之间相互独立设置，因此相邻之间的反应腔内部的反应条件不会相互影响，使得每个基底的沉积情况能够分别独立控制。
13.针对反应性气体的通入方式：如上所述，现有技术中的圆盘式化学气相沉积反应器通常是将所有的反应性气体全部从中部通入混合，因而导致基底表面的碳硅比以及分布均匀性难以控制。因此，本发明采用了另一种新型的反应气体通入方式，本发明中含有氢气以及惰性气体的还原气体依旧按照传统的布置方式，从圆盘状的沉积室中部通入，而含si以及c元素的前驱体气体则是从反应腔的顶部位于每个基底的上方通入，由于前驱体气体入口正对基底，可以更好地通过控制反应气体流量的方式控制基底表面的碳硅比，调整晶体沉积质量。当还原气体均匀通入到反应腔中后，能够根据还原气体中氢气的含量从而单独控制前驱体气体的通入量，其两者在反应腔中均匀混合，从而在基底的表面产生还原反应，最终在基底的表面沉积一层分布均匀的碳化硅薄膜，且还能够防止在基底以外区域（主要是设备入口部位）发生孪生结晶现象，影响设备运行。同时反应尾气由反应器侧壁流出，从而能够保证整体气流的均匀性。
14.此外，本发明中的圆盘式反应器高度可以适当压缩，其结构更为紧凑占地面积更小，因而制造所需材料少，从而有效降低成本。
15.因此，综上所述，本技术通过控制化学气相沉积室内部的结构以及反应性气体的通入方式有效提升了炭化硅薄膜的沉积速率以及沉积均匀性。
16.作为优选，所述还原气体入口水平布置；
所述前驱体气体入口的角度可调节；所述前驱体气体入口与还原气体入口之间的夹角为45
°‑ꢀ
90
°
。
17.本技术方案中碳化硅在化学气相沉积过程中其前驱体气体入口的角度可根据基底生长的实际效果而调节，从而能够进一步提高基底沉积质量。
18.作为优选，所述前驱体气体入口与基底之间的距离大于前驱体气体入口与反应腔顶部之间的距离。
19.本技术文件中的反应性气体的通入过程如下：首先向还原气体通入管中通入含有氢气以及惰性气体的还原气体，这些还原气体能够沿着还原气体入口进入到反应腔内部，同时通过前驱体气体入口向反应腔内部通入前驱体气体，此时前驱体气体便能够与还原性气体产生对流，从而能够有效将还原性气体与前驱体气体均匀混合，然后还原性气体以及前驱体气体便随着气流均匀分布于基体的表面，从而可以更好地调节各个基底表面反应气体的分布以及碳硅比。并且由于对流的存在，使得反应气体在基底表面停留时间能够有效增加，使得碳化硅在基底表面的沉积效果有效提升。
20.此外，本发明中由于还原气体与前驱体气体在相互混合的过程中会在基底上方产生对流，但是经过申请人的实际测试后发现前驱体气体入口与基底之间的距离对于最终的混合效果有着明显的影响。
21.当基底与前驱体气体入口的距离过小时，会导致还原气体与前驱体气体在基底上方的混合效果较差，导致基底表面的碳硅比存在误差，从而对最终的沉积效果存在一定的负面影响。
22.本发明技术方案中所述的前驱体气体入口与基底之间的距离大于前驱体气体入口与反应腔顶部之间的距离，这种布置方式可以保证基底上游具有足够的空间，以保证反应气体充分混合，提高沉积反应气体的均匀性。
23.作为优选，所述还原气体入口与沉积室底部之间的间距为反应器高度的1/2；所述前驱体气体入口与基底之间的间距为反应腔高度的2/3。
24.作为优选，化学气相沉积室中各个前驱体气体入口所形成的阵列圆的半径小于各个基底所形成的阵列圆的半径。
25.本发明中通过上述设置能够使得从前驱体气体入口通入的前驱体气体能够在反应气体通入路径的上游处与还原气体混合，从而能够使得反应气体在基底表面停留时间进一步增加，从而使得碳化硅在基底表面的沉积效果有效提升。并且能够在反应气体通入路径的上游处便能够有效混合，当混合气体流通到基底表面后其碳硅比能够保持稳定，最终使得形成的碳化硅薄膜的均匀性更加。
26.作为优选，所述惰性气体为氮气、氩气或者氦气中的任意一种；所述前驱体气体为甲基三氯硅烷。
27.第二方面，本发明其次提供了一种圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器，包括呈圆盘状反应器本体，其内部设置有化学气相沉积室，所述化学气相沉积室的中心处设置有用于向化学气相沉积室通入还原气体的还原气体通入管；所述化学气相沉积室内部环绕还原气体通入管设置若干挡板，从而将化学气相沉积室沿周向分隔成若干呈扇形的反应腔；每个反应腔靠近还原气体通入管处的侧壁设置与还原气体通入管相连通的还原
气体入口，每个反应腔的上端处设置有用于向反应腔内部通入前驱体气体入口，每个反应腔均设置有用于排放尾气的气流出口。
28.如背景内容所述，传统的水平式化学气相沉积反应器，其所有反应气体（ar、h2和ch3sicl3）入口均布置于反应器一侧，碳化硅基底放置于反应器底部，尾气出口布置于另一侧或反应器底部，反应物随载流气体在容器内混合并随主流气体输运至基底表面。这种布置方式，存在几个主要问题：（一）反应气体上下分层，ar、h2气体主要在反应器下层流动，反应物ch3sicl3气体在反应器上层流动，反应气体在基底表面混合性较差，基底表面ch3sicl3浓度水平较低，如附图3与附图5所示。（二）由于反应器入口布置位置较近，两种反应物气体在入口处便相互接触，彼此扩散，并充满整个反应器，如图3所示。随着沉积生长的进行，反应器内部易出现结晶现象，影响反应器正常工作，降低其稳定性与可持续性。（三）反应气体入口距基底表面较远，反应物主要通过载流气体输送至基底表面，难于控制基底表面的碳硅比，也就难以人工干预沉积质量。（四）由于反应气体分层流动，反应物（ch3sicl3气体）在基底表面分布均匀性较差。
29.本发明中的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器具有以下有益效果：（一）采用将反应气体入口分开布置的方式从而有效提升碳化硅的沉积效果，ar、h2由圆盘中心沿着还原气体通入管以及还原气体入口通入到反应腔内部，而ch3sicl3反应气体由圆盘式反应器顶部的前驱体气体入口通入，前驱体气体入口正对基底，可以更好地通过控制反应气体流量的方式控制基底表面的碳硅比，调整晶体沉积质量。（二）整个圆盘式反应器采用挡板分割为若干个扇形结构，从而将基底分隔开，易于分别控制每个基底的沉积情况。（三）圆盘式反应器高度可以适当压缩，结构紧凑，占地少，制造所需材料少，降低成本。（四）基底放置于圆形支撑板上，沉积过程中，支撑板可旋转，可提高基底沉积的均匀性。
30.作为优选，所述前驱体气体入口与基底之间的距离大于前驱体气体入口与反应腔顶部之间的距离。
31.作为优选，化学气相沉积室中各个前驱体气体入口所形成的阵列圆的半径小于各个基底所形成的阵列圆的半径。
32.作为优选，气流出口设置于化学气相沉积室的侧壁或者底部。
33.本发明中尾气由化学气相沉积室的侧壁或者底部流出，能够保证整体气流的均匀性。
34.因此，本发明具有以下有益效果：（1）本发明在碳化硅沉积过程中通过改变反应气体的通入方式以及通入位置，能够有效调节基底表面的碳硅比；（2）在碳化硅沉积过程中通过将基底设置在单独的反应腔之中，能够增加反应气体在基底表面停留时间的同时，提高气流分布均匀性，从而有效提高碳化硅沉积速率与均匀性；（3）本发明中的圆盘式反应器高度可以适当压缩，其结构更为紧凑占地面积更小，因而制造所需材料少，从而有效降低成本。
附图说明
35.图1为本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器的一种外观示意图。
36.图2为本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器的一种纵向剖面结构示意图。
37.图3为本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器的一种横向剖面结构示意图。
38.图4为传统水平式化学气相沉积反应器结构示意图。
39.图5为传统水平式化学气相沉积反应器结构下ch3sicl3气体浓度的分布云图。
40.图6为本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器结构下ch3sicl3气体浓度的分布云图。
41.图7为两种结构下基底表面三氯硅烷气体浓度分布曲线。
42.其中还：反应器本体1、化学气相沉积室2、还原气体通入管3、挡板4、反应腔5、基底6、还原气体入口7、前驱体气体入口8、气流出口9、圆盘形支撑板10。
具体实施方式
43.下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
44.实施例1如背景内容所述，传统化学气相沉积反应器，将ar、h2和ch3sicl3统一布置于水平式反应器的中部，混合气体随气流输送至基底表面，在基底表面沉积生长板。这种反应气体入口布置方式，难以控制基底表面的碳硅比与分布均匀性，且容易在基底以外区域主要是设备入口部位发生孪生结晶现象，影响设备运行。
45.发明人基于上述碳化硅化学气相沉积反应器存在的问题，首先提供了一种圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器，通过改变了反应气体入口布置方式以及反应器内部空间分隔方式，具体布置方式见附图1、附图2和附图3。
46.从图中可知，本发明提供了一种圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器，包括呈圆盘状的反应器本体1，其内部设置有为圆盘状的化学气相沉积室2，所述化学气相沉积室2的中心处设置有用于向化学气相沉积室2内部通入由ar和h2所组成的还原气体的还原气体通入管3。
47.所述化学气相沉积室2内部环绕还原气体通入管设置若干挡板4，从而将化学气相沉积室2沿周向分隔成若干呈扇形且相互独立的反应腔5，每个反应腔5的底部设置有一个圆盘形支撑板10，其可通过现有技术带动，例如由轴带动，因而圆盘形支撑板10可在反应器内部旋转，圆盘形支撑板10上可分别放置一个用于沉积炭化硅薄膜的基底6。反应腔5的数量由挡板4的数量决定，因此可以通过增加挡板4数量的方式，将该反应器分割为更多扇形生长空间，从而实现了更多基底6的表面沉积。在本实施例中挡板4的数量为4个，相应的反应腔5则也同样是4个。
48.每个反应腔5靠近还原气体通入管处3的侧壁设置与还原气体通入管3相连通的还原气体入口7，因此由ar和h2所组成的还原气体能够沿着还原气体入口7从还原气体通入管
3中向反应腔5内部通入。此外，本实施例中还原气体入口7水平布置，且其高度为反应器高度的1/2，因此还原气体的气流能够沿着水平方向在反应腔5内部流动。
49.每个反应腔5的上端处设置有用于向反应腔5内部通入由ch3sicl3气体组成的前驱体气体的前驱体气体入口8。
50.本发明设计的反应器，通入ar和h2所组成的还原气体的还原气体通入管3与通入含有ch3sicl3气体的前驱体气体入口8分开布置，因此整体的气体通入过程如下：首先向还原气体通入管3中通入由ar和h2所组成的还原气体，这些还原气体能够沿着还原气体入口7进入到反应腔5内部，同时通过前驱体气体入口8向反应腔内部通入ch3sicl3气体，此时ch3sicl3气体便能够与还原性气体产生对流，从而能够有效将还原性气体与前驱体气体均匀混合，然后还原性气体以及前驱体气体便随着气流均匀分布于基体6的表面，从而可以更好地调节各个基底6表面反应气体的分布以及碳硅比。并且由于对流的存在，使得反应气体在基底6表面停留时间能够有效增加，使得碳化硅在基底6表面的沉积效果有效提升。
51.为了保证反应气体能够充分分布于基底6表面，需要对设备的整体参数进行一定的设定，即前驱体气体入口8与基底6之间的距离大于前驱体气体入口8与反应腔5顶部之间的距离。申请人发现，当基底6与前驱体气体入口8的距离过小时，会导致还原气体与前驱体气体在基底上方的混合效果较差，导致基底6表面的碳硅比存在误差，从而对最终的沉积效果存在一定的负面影响。因此，本发明技术方案中的前驱体气体入口8与基底6之间的距离大于前驱体气体入口8与反应腔5顶部之间的距离，这种布置方式可以保证基底6上游具有足够的空间，以保证反应气体充分混合，提高沉积反应气体的均匀性。在本实施例中，前驱体气体入口与基底之间的间距为反应腔高度的2/3。
52.此外，为了进一步增强反应气体的混合效果，前驱体气体入口8需布置于基底的上游气流方向，即从设备的外观表现上显示出化学气相沉积室中各个前驱体气体入口8所形成的阵列圆的半径小于各个基底6所形成的阵列圆的半径。本发明中通过上述设置能够使得从前驱体气体入口8通入的前驱体气体能够在反应气体通入路径的上游处与还原气体混合，从而能够使得反应气体在基底6表面停留时间进一步增加，从而使得碳化硅在基底6表面的沉积效果有效提升。并且由于在反应气体通入路径的上游处各种气体便能够混合完毕，因此当混合气体流通到基底表面后其碳硅比能够保持稳定，从而使得形成的碳化硅薄膜的均匀性更加。
53.此外，该反应气体入口可设计为可调角度式，其与水平面之间的角度调整范围为45
°
~ 90
°
，以便根据实际生产过程调整气流方向，进一步提高基底6表面沉积均匀性。
54.当混合气体在反应腔内部的基底表面沉积碳化硅后，生成的尾气可通过设置在反应腔5远离还原气体通入管3一侧的侧壁或者底部的气流出口9流出，本实施例中将气流出口9设置在反应腔5的侧壁处。
55.如图2所示，本实施例中整体装置尺寸要求如下：h1 = 1/2*h2；h3=2/3*h2；r1=1/2*r2；其中，h1为还原气体入口7与反应腔5底部距离，h2为反应腔5的高度，h3为前驱体气体入口8与反应腔5底部距离，r1为前驱体气体入口8中心轴与反应器中心轴水平距离，r2
为基底6中心与反应器中心轴水平距离。
56.本发明实例仅仅是针对该技术方案所做的举例说明，实际设计运营过程中，在本发明基础上可进行相关的调整，如调整扇形分区数量，调整沉积基底数量等，本发明结构所涉及的圆盘式碳化硅化学气相沉积法反应器，不仅仅限定于碳化硅薄膜的化学气相沉积，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属技术领域相关研究、设计人员针对发明结构所做的相关修改或补充，均在权利要求的保护范围内。
57.实施例2如实施例1所示，本发明申请人已经提供了一种圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器，因此本实施例利用该反应器提供了一种碳化硅化学气相沉积方法，该方法包括以下步骤：在每个所述反应腔5的中心处放置基底6，然后从还原气体入口7向反应腔5注入含有氢气以及氩气的还原气体，并从前驱体气体入口8向反应腔5注入原料为ch3sicl3气体的前驱体气体，使得前驱体气体与氢气在反应腔5中产生对流从而有效混合并发生反应，从而在基底8的表面沉积碳化硅薄膜，反应尾气从气流出口4排出。
58.为验证改进结构反应器的效果，为验证本发明中提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器的碳化硅晶体沉积效果，发明人分别构建了传统水平式化学气相沉积反应器（其结构如图4所示）与本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器的多物理场模型（二维旋转模型），并通过仿真计算分别得到了反应器内部的流场和浓度场的分布情况。
59.具体反应条件以及反应参数如下：本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器的直径为0.2m，高h2为0.05m，还原气体入口7布置于反应器1/2高处，前驱体气体入口8轴线与反应器轴线中心距r1为0.07m，前驱体气体入口8与化学气相沉积室2底部距离h3为0.03m，基底6直径0.12m，基底6轴线与反应器轴线中心距离r2为0.12m。
60.作为示例，选取氩气作为载流气体，两种结构气体参数均做如下设置：还原气体入口7的氢气流速0.01m/s, 前驱体气体入口8的 ch3sicl3气体流速为0.01m/s, 化学气相沉积室2内壁与基底6表面设置为无滑移壁面，气流出口9为自由出流。还原气体入口7的h2气体入口浓度1 mol/m3, 前驱体气体入口8的ch3sicl3气体入口浓度2 mol/m3。
61.作为示例，图5为传统水平式化学气相沉积反应器结构下ch3sicl3气体浓度的分布云图，图6为本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器结构下ch3sicl3气体浓度的分布云图。图7为两种结构下基底表面三氯硅烷气体浓度分布曲线。
62.计算结果表示，采用本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器，有如下积极效果：（一）两种反应物浓度在入口处分界更为明显，这表明其混合程度更弱，可有效减少入口位置孪生结晶现象的发生。（二）采用本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器，ch3sicl3气体在基底附近区域分布浓度水平明显上升，有利于反应物的输运，可一定程度提高沉积速率。（三）采用本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器，ch3sicl3气体浓度沿基底表面分布均匀性增强，有利于提高沉积生长的均匀性。（四）采用本发明提供的圆盘式碳化硅化学气相沉积反应器，两种反应物输送路径相互独立，混合区域主要为基底表面，更加容易控制基底表面反应的碳硅比，改善沉积质量。