[发明专利]生长非常均匀的碳化硅外延层

说明书

发明领域

本发明涉及外延生长碳化硅，具体涉及在合适基体上制造非常均匀碳化硅外延层的化学气相沉积方法。

技术背景

本发明涉及生长碳化硅外延层。作为半导体材料，碳化硅由于能够用于高能量、高频率和高温电子器件而特别优越。碳化硅有特别高的热导，并且在其击穿前经得起高电场和高电流密度两者。碳化硅的宽带隙使得它即便在高温依然是低泄漏电流。出于这些和其他原因，碳化硅特别合乎功率器件的要求，亦即可设计它们在相当高的电压下运行。

然而碳化硅却是难以制造的材料。生长工艺要在相当高的温度下进行，对于外延生长至少大约1500℃以上，对于升华生长则要接近2200℃。另外，形成碳化硅可超过150种多型，其中大多数仅以很小的热力学差别来区分。结果，无论是外延层还是整体晶体，碳化硅晶体的生长都是一种附有挑战的工艺。还有，碳化硅特别坚硬(工业上常常用作磨料)，这就造成难于将它加工和成形至合适的半导体器件。

尽管如此，近十年来，碳化硅的生长技术仍然取得很大进展并有所反映，例如US 4912063、4912064、Re.34861、4981551、5200022和5459107等，所有这些专利都转让或独家许可给本发明受让人。与本发明共同转让的这些及其他专利在碳化硅生长技术和其后由碳化硅制造合适的半导体器件方面引起世界范围的兴趣。

一种特定的生长技术叫作“化学气相沉积”或“CVD”。在这种方法中，将原料气体(诸如对碳化硅时的硅烷SiH₄和丙烷C₃H₈)引入加热的反应舱室，该舱室还包括原料气体在其表面反应形成外延层的基体。为了有助于控制生长反应的速度，一般都引入带有载气的原料气体，与载气一起构成最大容积的气流。

碳化硅的化学气相沉积(CVD)都要精选一些项目如温度分布，气体速度，气体浓度，化学性质和压力。为制造特定外延层(epilayers)对使用条件的选择常常包括许多因素，例如所要求的生长速度、反应温度、作业时间、气体容积、设备成本，掺杂均匀性以及层厚度。

特别是同其他因素相匹敌的均匀层厚度，它能在随后由外延层制造的半导体器件中趋于提供更加一致的性能。相反，失去均匀性的薄层趋于损伤器件性能，甚至会使这些薄层不适合制造器件。

然而在传统CVD方法中，会发生公知的“消耗”现象，就是原料气体和载气通过反应舱室时原料气体浓度的损失。具体言之，传统CVD体系中，原料和载气平行于基体和外延层表面流动。由于原料气体反应形成外延层，它们的浓度在气体入口或反应器“上流”端部最高而在“下流”端部最低。那么，由于在原料气体通过反应器的旅行期间原料气体的浓度要降低，就会使外延层趋于在上流端部更厚而在下流端部更薄。如上所述，这种均匀性的损失会对许多情况不利，特别是在要求较厚的外延层或者在某些特定器件或器件结构中要求外延层较厚的情况下就特别麻烦。

在其他半导体材料(如硅)的生长技术中，表现的问题可通过直接的技术诸如旋转其上将生长外延层的基体(通常是硅片)来解决。然而这种技术生长碳化硅外延层时要在更高温度下进行，则变得更加复杂更加困难。碳化硅生长方法使用的基座一般必须由高纯石墨附高纯碳化硅涂层来形成。当这种材料形成运动部件时，它们趋于更加复杂并且趋于产生因碳化硅研磨特性而带来的粉尘。因此，对碳化硅而言，这种机械的和与运动有关的解决方案一般不能令人满意，所以，迫切需要一种能产生更加均匀外延层的碳化硅外延生长的化学气相沉积技术，而且还不能对方法带来额外的杂质或机械或化学复杂性。

发明目的和概述

因此，本发明的一个目的是提供一种得到更均匀碳化硅外延层的方法。通过能增强碳化硅外延层均匀性并且特别能用来得到更厚外延层的一种改良化学气相沉积方法而实现本发明目的。该方法包括将反应器加热到碳化硅原料气体在反应器内基体上形成外延层的温度；然后让原料气体和载气流过加热的反应器在基体上形成碳化硅外延层，同时载气包括氢气和第二种气体的混和气，其中第二种气体的热导要低于氢气热导，使得原料气体在通过反应器时它的消耗比使用单一氢气作载气时的更低。在特定实施方案中，还优选第二种气体对化学气相沉积反应呈化学惰性。

本发明另一个目的包括厚度高度均匀的碳化硅外延层，其证据是沿横截面的标准厚度偏差。

根据以下结合附图的发明详述将使本发明的前述和其他目的和优点以及实现方式更加清楚。

附图说明

图1概要说明本发明使用的作示例的化学气相沉积体系；