外延生长设备及外延生长方法与流程

本技术涉及半导体外延生长，尤其涉及一种外延生长设备及外延生长方法。

背景技术：

1、碳化硅(化学式：sic)为碳元素和硅元素形成的化合物，是第三代半导体材料的代表材料之一。与传统的半导体材料硅相比，碳化硅凭借其高临界击穿电场、高电子迁移率等特点，成为制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优选半导体材料，在智能电网、电动汽车、轨道交通、5g基站等领域得到了广泛的应用。

2、参见图1，sic外延片1包括层叠设置的sic晶片10和外延层11，例如，可采用外延生长设备，在sic晶片10的表面外延生长单晶sic薄膜(外延层11)。目前，半导体器件多采用sic外延片1制备而成，sic晶片10和外延层11的晶体质量，对半导体器件的性能有较大的影响。

3、然而，在半导体器件的制备成本中，sic外延片1的成本占比较高，基于此，如何提高外延生长设备的产能，以降低sic外延片1的成本，成为领域内亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术的实施例提供了一种外延生长设备及外延生长方法，旨在提高外延生长设备的产能。

2、为达到上述目的，本技术的实施例采用如下技术方案：

3、第一方面，提供了一种外延生长设备，该外延生长设备包括炉体和反应架，炉体具有反应腔室，反应架位于反应腔室内。反应架包括多个反应盘和多个支撑柱，多个反应盘沿第一方向间隔排列，多个支撑柱的长度方向平行于第一方向，多个支撑柱围绕每个反应盘间隔设置，且每个反应盘的边缘与多个支撑柱连接。

4、本技术的上述实施例所提供的外延生长设备，反应架位于反应腔室内，通过设置反应架具有多个反应盘和多个支撑柱，多个反应盘可用于承载多个晶片，以在多个晶片的表面外延生长单晶薄膜(外延层)，进而形成外延片，提高了外延生长设备的产能，从而有利于降低外延片的制备成本。

5、并且，外延生长设备可应用于4h-sic、3c-sic和gan等材料的晶片的外延生长。

6、在一些实施例中，沿第一方向，反应盘包括相对设置的第一表面和第二表面，第二表面相对于第一表面远离反应腔室的底部。第二表面设有凹槽，凹槽用于容纳晶片。

7、上述实施例中，通过在每个反应盘的上表面(第二表面)设置凹槽，利用该凹槽容纳晶片，以保证晶片的稳定性，有利于提高多个晶片表面的多个外延层的膜层质量，例如，可提高多个外延层的厚度均一性，及多个外延层中元素的掺杂浓度的均匀性和一致性。

8、在一些实施例中，在反应架中，反应盘的边缘与多个支撑柱卡合，例如，支撑柱包括卡口，反应盘的边缘插在支撑柱的卡口内。和/或，反应盘的边缘包括卡口，支撑柱包括凸块，支撑柱的凸块插在反应盘的卡口内，以保证反应盘与支撑柱的连接强度，从而保证反应架的结构强度。

9、在一些实施例中，多个反应盘包括最靠近反应腔室的底部的第一反应盘，及位于第一反应盘上方的至少一个第二反应盘。第一反应盘包括插槽，插槽位于第一反应盘的靠近第二反应盘一侧的表面，支撑柱的底端插在插槽内。

10、上述实施例中，每个支撑柱对应一个插槽，支撑柱的底端插在插槽内，实现多个支撑柱与第一反应盘的稳定连接，保证支撑柱起到稳定支撑第二反应盘的作用。

11、在一些实施例中，外延生长设备还包括保温层和气浮盘，保温层设置于反应腔室的内壁上，且保温层位于反应腔室的底部的部分具有容纳槽。气浮盘位于容纳槽内，反应架的底部位于容纳槽内，且反应架位于气浮盘的上方，气浮盘被配置为输出气流，以驱动反应架转动。

12、在外延工艺过程中，通过气浮盘输出气流来驱动反应架匀速转动，以使反应架的多个反应盘内的多个晶片匀速转动，有利于提高外延层的厚度均一性，及多个外延层中元素的掺杂浓度的均匀性和一致性。

13、并且，反应架的底部位于容纳槽内，可限制反应架沿水平方向的位移，保证反应架在反应腔室内的稳定转动。

14、在一些实施例中，气浮盘包括靠近反应架的多个气体流道，气浮盘的气体流道的数量范围为9个～20个。

15、可以理解的是，反应架位于气浮盘的上方，反应架的底部可封住多个气体流道的上方，气流进入气体流道，并从气体流道喷出，喷出的气流可对反应架产生推力，以驱动反应架转动。并且，气体流道的数量较多，保证气流对反应架的推力可驱动反应架转动。

16、在一些实施例中，外延生长设备还包括旋转支架，旋转支架包括相连的转动轴和转动盘，反应架设置于转动盘上。

17、上述实施例中，通过转动轴和转动盘带动反应架匀速转动，转动轴的驱动力较大，可保证反应架的转动的稳定性，进而保证外延层的膜层质量。

18、在一些实施例中，反应架包括至少三个支撑柱，以起到稳定支撑多个反应盘的作用。

19、在一些实施例中，多个反应盘的材料相同，多个支撑柱与多个反应盘的材料相同，例如，反应盘和支撑柱的材料均包括导电材料，反应盘和支撑柱均可在射频线圈产生的射频场中发热，以使炉体的反应腔室达到外延生长所需要的温度。

20、在一些实施例中，反应架包括至少三个反应盘，任意相邻两个反应盘之间的距离相等。即，多个反应盘等间距设置，使多个反应盘之间反应源气体流道的截面积大致相等，从而使多个反应盘之间反应源气体的气体流速大致相等，有利于提高多个外延层的厚度均一性，及多个外延层中元素的掺杂浓度的均匀性和一致性。

21、第二方面，提供了一种晶片的外延生长方法，该方法采用上述任一实施例中的外延生长设备，外延生长方法包括：在外延生长设备的反应架的每个反应盘上放置晶片；向外延生长设备的炉体的反应腔室内通入反应源气体。

22、其中，反应腔室具有进气端和出气端，反应源气体在进气端的气体流速小于参考气体流速。参考气体流速为在反应腔室内仅放置一个晶片的情况下，反应源气体在进气端的气体流速。

23、本技术的上述实施例所提供的外延生长方法中，在反应架包括多个反应盘的情况下，每个反应盘上方的气体流道的截面积减小，使得反应源气体在每个晶片表面的气体流速增加一倍。基于此，通过调整反应源气体在进气端的气体流速，使反应源气体在进气端的气体流速小于参考气体流速，以减小反应源气体在每个晶片表面的气体流速及其变化量，保证外延生长工艺的稳定性，及外延生长的膜层质量。

24、在一些实施例中，反应架包括n个反应盘，n≥2，在此情况下，反应源气体在进气端的气体流速为参考气体流速的

25、可以理解的是，在反应架包括n个反应盘的情况下，每个反应盘上方的气体流道的截面积减小为使得反应源气体在每个晶片表面的气体流速增加n倍。基于此，通过调整反应源气体在进气端的气体流速，使反应源气体在进气端的气体流速为参考气体流速的以保证反应源气体在每个晶片表面的气体流速大致不变，保证外延生长工艺的稳定性，及外延生长的膜层质量。

26、在一些实施例中，反应源气体的浓度大于参考浓度，参考浓度为在反应腔室内仅放置一个晶片的情况下，反应源气体的浓度。

27、由于调整后的反应源气体在进气端的气体流速小于参考气体流速，因此，需要调整反应源气体的浓度，使反应源气体的浓度大于参考浓度，以减小进入炉体内的反应源气体中分子的变化量，可减小外延层的厚度的变化量。

28、在一些实施例中，反应架包括n个反应盘，n≥2，在此情况下，反应源气体的浓度为参考浓度的n倍。

29、可以理解的是，在反应架包括n个反应盘的情况下，反应源气体在进气端a的气体流速为参考气体流速的因此，通过调整反应源气体的浓度，使反应源气体的浓度为参考浓度的n倍，以保证进入炉体内的反应源气体中分子的量不变，从而保证外延层的厚度不变。

30、在一些实施例中，外延生长方法还包括：利用气浮盘输出气流，以驱动反应架转动。其中，气浮盘输出气流的流量大于参考气流量，参考气流量的范围为250sccm～2000sccm，能够驱动一个晶片转动的气流的流量。

31、上述实施例中，在反应架包括多个反应盘的情况下，反应架的重量较大，通过增加气浮盘输出气流的流量，使气浮盘输出气流的流量大于参考气流量，保证气流对反应架的推力可驱动反应架转动，以使反应架的多个反应盘25内的多个晶片匀速转动，有利于提高外延层的厚度均一性，及多个外延层中元素的掺杂浓度的均匀性和一致性。