用於sic晶片退火的方法和設備的製作方法

2023-05-07 11:22:01

專利名稱：用於sic晶片退火的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於SiC晶片退火的方法和設備。
背景技術：
在碳化矽晶片(SiC晶片)以及矽圓盤中注入雜質(如Al、P、B)之後從而在SiC 晶體結構中摻入雜質以使其具有導電性之後，必須對其進行退火，也稱為復原(heal)或回 火(temper)。因在晶體結構中注入雜質而產生的損壞只能在這種退火過程中部分得到「復 原」。這種過程通常發生在用於單獨的SiC晶片或同時用於多個SiC晶片的退火爐的加工 室中在1600-2000°C的溫度下按照高溫過程中。在這些溫度下出現問題第一矽原子層可能會從碳化矽層(SiC)的晶體結構中剝 離，由此損壞平滑的SiC表面，或日出現「階梯聚束(St印bunching)」，即晶體結構可能在 晶片內偏移。要減輕這些問題，可以將矽烷引入加工室中，使得矽分壓增大。通常使用矽烷和惰 性氣體的混合物，其中使用氬作為惰性氣體。但是，矽烷(SiH4)是危險性的，原因在於它傾向於自發燃燒，因此操作上很困難也 很麻煩。發明概述因此，本發明的一個目的是提供用於SiC晶片退火的方法和設備，該方法和設備 能夠在加工室中以低運行成本產生足夠的Si分壓。通過以下方法實現了這個目的，其中將多個SiC晶片引入退火爐的加工室中，在 加工室中產生真空並同時將SiC晶片加熱至1600-200(TC的加工溫度，並且在預定時間內 在恆定的加工溫度下將加工室氣氛中的Si分壓增大至超過Si晶片中結合的矽的蒸汽壓的值。為此，可以將氣體或蒸汽形式的純矽或者載氣與氣體或蒸汽形式的矽的混合物引 入加工室中。載氣可以是氬、氦或h2。為了恆定的加工溫度，在超過1600°C的溫度下將氣體或蒸汽形式的矽或者載氣與 氣體或蒸汽形式的矽的混合物引入加工室中。在本發明的一種具體實施方式
中，通過從SiC表面蒸發矽產生氣體或蒸汽形式的 矽。所述SiC表面可以是SiC晶片或其碎片的表面或者是熔融矽的表面。在超過1400°C的溫度下進行蒸發。本發明的目的還通過用於SiC晶片退火的設備得到實現，該設備的特徵在於，至 少將蒸汽或氣體形式的矽源與用於接受至少一個晶片的加工室連接，用於增大Si分壓。蒸汽或氣體形式的矽源是蒸發器，可以向蒸發器輸送載氣從而在熔融矽之上產生 氣流，其中該蒸發器經由導管與加工室連接，或者設置在加工室之內。在本發明的一種實施方式中，蒸發器是由石墨、碳化矽製造的盒子，或者由矽塗覆 的石墨或碳化鉭、陶瓷、藍寶石或鉬製得。
蒸發器中蒸汽或氣體形式的矽的來源是蒸發器中的矽晶片或矽碎片或熔融矽。蒸發器設置在加工室下方的退火爐中，在退火爐中溫度為1450-1700°C的區域中。 因此蒸發器不需要自己的加熱裝置。在本發明的另一種變化形式中，蒸發器設置在加工室中在晶片的下方。可以使用稀有氣體如氬或氦或H2作為載氣。這裡要求氣氛中不含氧。蒸發器中的溫度為1450-1700°C，加工室中的溫度為1600-1900°C。根據本發明，將Si晶片或Si與載氣的混合物從蒸發器(鼓泡器)引入加工室中。附圖簡要描述以下將按照實施方式更詳細地描述本發明。在各附圖中

圖1顯示用於SiC晶片退火的本發明裝置的代表性示意圖，該裝置具有位於加工 室下方的蒸發器；和圖2顯示代表性的蒸發器的放大圖，其設置在加工室的低端。發明詳述蒸發器4包括位於退火爐1的加工室2下方的盒子，位於高溫區域(最高2000°C ) 下方，在爐中對SiC晶片3進行回火。蒸發器4包含石墨、矽石墨或者由SiC塗覆的石墨。 蒸發器可以由碳化鉭、藍寶石、陶瓷或鉬之類的材料製造。在所述蒸發器中有矽晶片3. 1，用 作Si蒸汽來源，或者所述蒸發器中有矽碎片，優選後者。蒸發器中要求的溫度為1400-1600°C，至少高於矽的熔融溫度(1414°C )。在加工 室2下方，在絕熱裝置7下方和絕熱層8上方達到這種溫度(圖1)。因此，由蒸發器中的 SiC晶片3(圖1)產生液體矽11 (圖2)。可以將載氣引導(鼓泡)在這種熔融矽中或從其 上通過。還可以在熔融矽的表面之上引導載氣5. 1。可以使用Ar、H2、He等作為載氣5. 1。從氣源經由導管5輸送載氣5. 1時，以及在隨後引導載氣5. 1通過熔融矽的過程 中，蒸發的矽被夾雜進來，然後可以經由輸送管6(圖1)將氣體混合物如Ar-Si引導至加工 室2中的SiC晶片3，在其中產生所要求的矽分壓，這防止了矽從待退火的SiC晶片3蒸發。 導管5和輸送管6可以由SiC、陶瓷、藍寶石、鉬或石墨製造。關鍵的是，簡單地通過輸送載氣的速度和體積以完全安全的方式就可以通過本發 明在加工室2中建立起要求的Si分壓。相對應的圖1顯示控溫爐1，其具有壁1. 1，上部高溫區域最高為2000°C，其中將待 退火的晶片3設置在加工室2中。加工室2下方是蒸發器4，其溫度範圍超過1400°C，在其 表面有熔融的Si晶片3. 1或者熔融的Si碎片11 (圖2)。提供連接至載氣源的導管5來供 應載氣，提供輸送管6將載氣和Si的混合物供應至加工室2。為了實現不同的溫度水平，在高溫區域和蒸發器4之間提供一個絕熱裝置7(C隔 板層)，並且在蒸發器4的下方還提供一個絕熱裝置，該裝置由多個絕熱層8和一個石英隔 板9組成。這樣能夠在退火爐1的底布區域10中保持大約150°C的恆定溫度。由圖2可以看出，包括蒸發器4在內的高溫區域被加熱器12包圍。不同於圖1，蒸 發器4設置在圖2的加工室2的下部，使得蒸發的載氣_/矽-蒸汽-混合物能夠直接經由 蒸發器4的蓋子14中的開口 13到達加工室2中的晶片3。仍然經由導管5輸送所要求的 載氣。應該理解，退火爐1內的溫度由加熱裝置12產生，該加熱裝置包圍著加工室2和蒸 發器4。
按照本發明方法，將SiC晶片3. 1的層疊物裝入到退火爐1的加工室2中，在加工 室內加熱至1600-2000°C的加工溫度，同時產生真空，同時，在恆定加工溫度下在預定時間 內，將加工室2的氣氛中的Si分壓增大至超過SiC晶片3. 1中結合的矽的蒸汽壓的值。可以將氣體或蒸汽形式的純矽或者載氣與氣體或蒸汽形式的矽的混合物引入加 工室2中。使用氬氣、氦氣或H2作為載氣。沿熔融碎片11(超過1414°C )引導載氣，由此攜帶上蒸汽形式的矽到達加工室 (如圖1、2中的箭頭所示)。通過將蒸發器4設置在加工室2中(圖2)或者在加工室下方(圖1)，以及通過載 氣的速度及其體積，可以調節加工室中的矽分壓。為了確保恆定的加工溫度，在超過1600°C的溫度下將氣體或蒸汽形式的矽或者載 氣與氣體或蒸汽形式的矽的混合物引入加工室2中。附圖標記列表
1退火爐
1. 1壁
2加工室
3待退火的晶片
3. 1SiC晶片
4蒸發器
5導管
6輸送管
7絕熱裝置
8絕熱層
9石英隔板
10底部區域
11液化的Si碎片
12加熱器
13開口
14蓋子
權利要求
一種用於在高溫區域中使SiC晶片退火的方法，其特徵在於 將多個SiC晶片(3)引入退火爐(1)的加工室(2)中，並且在加工室(2)中產生真空， 同時將SiC晶片(3)加熱至1600 1900℃的加工溫度，和 在預定時間內在恆定加工溫度下，將加工室(2)的氣氛中的Si分壓增大至超過SiC晶片中結合的矽的蒸汽壓的值。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，將氣體或蒸汽形式的矽引入加工室(2)中。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，將載氣與氣體或蒸汽形式的矽的混合物引 入加工室(2)中。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，使用氬氣或氦氣作為載氣。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，使用H2作為載氣。
6.如權利要求1-4中任一項所述的方法，其特徵在於，在至少1450°C的溫度下，將所述 氣體或蒸汽形式的矽或者載氣與氣體或蒸汽形式的矽的混合物引入加工室(2)中。
7.如權利要求1-6中任一項所述的方法，其特徵在於，通過從SiC表面蒸發矽，產生所 述氣體或蒸汽形式的矽。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，從SiC晶片(3.1)的表面、從其碎片、和/或 從熔融矽(11)蒸發矽。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，蒸發在超過1400°C的溫度下進行。
10.一種用於在退火爐的加工室中在高溫區域中使SiC晶片退火的設備，其特徵在於， 將用於接受至少一個晶片(3)的加工室(2)與至少蒸汽或氣體形式的矽的源連接，增大矽 分壓。
11.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，用於蒸汽或氣體形式的矽的源是蒸發器 (4)，可以向該蒸發器輸送載氣，從而在熔融矽之上產生氣流，蒸發器(4)經由導管(5)與加 工室(2)連接，或者蒸發器(4)設置在加工室(2)中。
12.如權利要求11所述的設備，其特徵在於，蒸發器(4)是一個盒子，由石墨、碳化矽或 矽塗覆的石墨或碳化鉭、陶瓷、藍寶石或鉬組成。
13.如權利要求10-12中任一項所述的設備，其特徵在於，蒸汽或氣體形式的矽的來源 是蒸發器(4)中的矽晶片(3. 1)或矽碎片(11)或熔融矽。
14.如權利要求10-12中任一項所述的設備，其特徵在於，蒸發器(4)設置在退火爐(1)內的加工室(2)的下方。
15.如權利要求10-12中任一項所述的設備，其特徵在於，蒸發器(4)設置在加工室(2)中的晶片(3)的下方。
16.如權利要求15所述的設備，其特徵在於，蒸發器(4)設置在退火爐(1)的 1450-1700°C溫度範圍內。
17.如權利要求10-16中任一項所述的設備，其特徵在於，稀有氣體如氬氣或氦氣用作 載氣。
18.如權利要求10-16中任一項所述的設備，其特徵在於，H2用作載氣。
19.如權利要求10-18中任一項所述的設備，其特徵在於，蒸發器中的溫度為 1450-1600°C。
20.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，加工室中的溫度為1600-1900°C。
21.SiC晶片、矽圓盤或其碎片在實施如權利要求1-9中任一項所述的方法中的應用。
22.SiC晶片、矽圓盤或其碎片在如權利要求10-20中任一項所述的設備中的應用。
全文摘要
在用於在高溫區域中使碳化矽(SiC)晶片退火的方法中，可能出現第一矽原子層從SiC層的晶體結構中剝離的問題，從而損壞平滑的SiC表面，或者出現「階梯聚束」的問題，即，晶體結構可能在在晶體內偏移。可以通過用於使SiC晶片退火的方法避免這些問題，該方法包括以下步驟將多個SiC晶片引入退火爐的加工室中，在加工室中產生真空，同時將SiC晶片加熱至1600-2000℃的加工溫度，在預定時間內在恆定的加工溫度下，將加工室的氣氛中的Si分壓增大至超過SiC晶片中結合的矽的蒸汽壓的值。
文檔編號H01L21/00GK101896996SQ200880120832
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月10日 優先權日2007年12月11日
發明者K·烏韋, R·M·哈通 申請人:森託塞姆熱解決方案兩合有限公司