[发明专利]一种外延反应腔和化学气相外延设备

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件制备技术领域，具体地，涉及一种外延反应腔和化学气相外延设备。

背景技术

在半导体器件的制备过程中，半导体薄膜的厚度、掺杂、缺陷密度等都严重影响着器件的性能。化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)外延是借助空间气相化学反应在衬底表面沉积固态薄膜的一种气相外延生长技术，利用该方法可以较为精确地控制薄膜的厚度、组分及其结构，并且得到的外延薄膜的质量较高，同时能够保证较快的生长速率，因此CVD方法是目前工业制作半导体电学器件产品的常用方法。

CVD外延薄膜生长过程主要包括以下几个步骤：(1)反应气体分子随载气以一定流量输运至反应室内；(2)反应气体分解形成中间态；(3)气流中的反应气体分子和中间态扩散到衬底上；(4)反应气体分子进一步吸附在衬底表面上；(5)生长层的表面发生化学反应，生成外延薄膜和副产物分子；(6)副产物分子向外扩散，从而脱离表面吸附；(7)副产物分子进入输运气体被带出。

目前Si基半导体器件处在微电子领域的统治地位。随着电子技术的发展，人们对超高频和高性能光电子器件的需求日益迫切，但由于Si本身的性质限制了其在超高频、超高温、大功率和强辐射环境等极端条件下的应用。以SiC为代表的宽带隙半导体材料与Si相比，在工作温度、抗辐射和耐击穿电压等性能方面具有明显的优势。作为目前发展最为成熟的宽带隙半导体材料，SiC具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、低介电常数和高键合能等优点，其优异性能可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率以及抗辐射的新要求，因而被看做是半导体材料领域最有前景的材料之一。

现有的水平式SiC外延反应装置结构如图1所示，该装置包括：由密封管件6(典型的为石英管)构成的密闭工作室；位于工作室内的反应腔7、进气管8和排气管9；在密闭工作室外围设有加热组件10(典型的为加热螺线管)，通过加热组件10对反应腔7进行加热；反应腔7的底部设置有托盘槽，承载SiC基片的托盘放置在该托盘槽内。

SiC外延反应装置的工作过程如下：1.将清洗完毕的SiC衬底放置于旋转托盘内；2.通过传输装置(如机械手)将承载SiC衬底的托盘传送到反应腔7底部的托盘槽中；3.对反应腔7进行抽真空处理，令反应腔7达到预设真空度；4.通过进气管8向反应腔7中通入运载气体(典型的为H2)，并打开电源，通过加热组件10对反应腔7进行加热；5.当反应腔7温度达到SiC外延生长所需的温度时，通过进气管8通入反应气体，实现SiC的外延生长；6.生长完毕后，关闭进气系统，同时关闭加热组件10，使SiC基片和反应腔7自然降温；7.使用传输装置将托盘从反应腔7中取出。

利用CVD方法外延SiC材料的条件与外延Si材料的条件相比主要有以下两点不同：一是SiC外延所用温度高于Si外延温度，对于Si外延，使用的温度通常为1000℃到1100℃，而对于SiC外延需要更高的温度(通常为1500-1700℃)；二是SiC外延过程所用压力必须低于标准大气压，压力通常为50-200mbar，这主要是考虑到低压下的SiC外延可以有效地抑制Si液滴形成，而Si外延可以在常压下进行。以上两点说明用于SiC外延生长的反应器与Si外延生长反应器相比，对于腔室的绝热保温性能以及反应器壁的耐压性能提出了更高的要求。特别是SiC外延生长工艺中使用到大量的易燃易爆、有毒和腐蚀性气体，一旦发生气体泄漏会出现严重的安全事故，这就要求SiC反应器具有优异的气密性以及耐高压差的能力。

图1中的SiC外延反应装置中，密封管件6采用石英管，石英材料耐压能力有限，且容易破损，这使反应装置内的工艺气体容易泄漏，同时还存在较大的安全隐患；同时，由于加热组件10设置在密闭工作室外，加热过程中很容易导致热损耗，加热效率低，难以确保反应腔7内稳定的工艺要求温度。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种外延反应腔和化学气相外延设备。该外延反应腔使加热件更加靠近腔体，从而大大降低了加热过程中的热损耗，提高了加热件对腔体的加热效率；保护件能耐受设定的压力，这使保护件在设定的压力下不容易破损，从而防止腔体内的工艺气体发生泄漏，同时还确保了外延反应腔的工艺安全性。

本发明提供一种外延反应腔，包括腔体，还包括依次套设在所述腔体外侧的加热件和保护件，所述加热件用于对所述腔体进行加热，所述保护件能耐受设定的压力，以防止所述腔体内的工艺气体泄漏。