减少半导体外延中氮残留的记忆效应的方法和氮吸附装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种减少半导体外延中氮残留的记忆效应的方法和氮吸附装置。

背景技术

在半导体工业中，碳化硅(SiC)材料被广泛应用于高功率、高温和高频电子器件的制造。外延生长是一种常见的制备碳化硅材料的方法，其中CVD(化学气相沉积)外延是最常用的技术之一。在N型碳化硅外延过程中，N

目前，为了减少N型记忆效应，减少外延片中的氮残留，传统的做法是通过在外延生长过程中引入额外的清洗步骤来去除残留的掺杂气体，或者使用抽真空的方式来去除腔体内的氮气。然而，现有技术中存在一些问题或限制。首先，通过引入额外的清洗步骤，会增加制备过程的复杂性和时间成本。其次，使用抽真空的方式去除氮气可能会引起腔体内的紊流，导致多晶碳化硅颗粒物四散飞溅，从而引起后续外延片的生长掉落物缺陷，这种掉落物缺陷是外延片的致命缺陷，会导致生产的不可接受的损失。

因此，有必要开发一种更有效的方法来减少氮残留，改善半导体外延片的质量和性能，并提高电子器件的可靠性和稳定性。

发明内容

基于此，有必要针对如何减少半导体外延中氮残留的问题，提供一种减少半导体外延中氮残留的记忆效应的方法和氮吸附装置。

一种减少半导体外延中氮残留的记忆效应的方法，包括如下步骤：

步骤一、提供生长腔室、若干半导体衬底和氮吸附装置；

步骤二、所述半导体衬底在所述生长腔室内进行外延生长，并采用氮气作为掺杂源进行掺杂，外延生长结束后将外延片移出所述生长腔室，所述生长腔室内残留有氮气；

步骤三、将所述氮吸附装置移入所述生长腔室，采用所述氮吸附装置吸附所述生长腔室内残留的氮气，充分吸附之后将所述氮吸附装置移出所述生长腔室；以及

步骤四、将步骤一的所述半导体衬底移入所述生长腔室内，之后重复步骤二和步骤三。

应用本发明技术方案的减少半导体外延中氮残留的记忆效应的方法，能够通过氮吸附装置吸附生长腔室内残留的氮气，从而充分减少半导体外延中的氮残留，进一步减少半导体外延过程中氮残留导致的N型记忆效应，改善外延片的质量和性能，提高电子器件的可靠性和稳定性，有利于广泛应用。

在一个可行的实现方式中，步骤三中，采用所述氮吸附装置吸附所述生长腔室内残留的氮气的操作中，所述生长腔室的温度为1000摄氏度～1100摄氏度。

在一个可行的实现方式中，步骤三中，采用所述氮吸附装置吸附所述生长腔室内残留的氮气的操作中，所述生长腔室的载气流量为150SLM～180SLM，吸附的时间为10分钟～15分钟。

在一个可行的实现方式中，所述氮吸附装置包括主体和负载于所述主体上的氮吸附颗粒，所述主体的内部具有若干孔洞。

在一个可行的实现方式中，所述主体呈圆柱形，所述主体的材质为石墨、碳或者钼；

所述主体内部的孔洞呈蜂窝状；或者所述主体包括若干呈点阵结构排布的晶胞，单个所述晶胞内部的孔洞由xyz三个方向的圆柱贯穿形成；

所述主体内部的孔洞占所述主体的体积分数为40％～60％。

在一个可行的实现方式中，所述氮吸附装置还包括位于所述主体表面的涂层，所述氮吸附颗粒嵌入所述涂层上；

所述涂层的材质为碳化硅或者碳化钽，所述涂层的厚度为50μm～100μm；

所述氮吸附颗粒的材质选自钽、钛、氧化钽、氧化钛与氧化铝中的至少一种，所述氮吸附颗粒的尺寸为50μm～200μm；

所述氮吸附颗粒占所述涂层的质量分数为20％～40％。

一种氮吸附装置，用于减少半导体外延中氮残留，所述氮吸附装置包括主体和负载于所述主体上的氮吸附颗粒，所述主体的内部具有若干孔洞。

应用本发明技术方案的氮吸附装置，能够在半导体外延生长后吸附生长腔室内残留的氮气，从而充分减少半导体外延中的氮残留，进一步减少半导体外延过程中氮残留导致的N型记忆效应，改善外延片的质量和性能，提高电子器件的可靠性和稳定性，有利于广泛应用。

在一个可行的实现方式中，所述主体呈圆柱形，所述主体的材质为石墨、碳或者钼；

所述主体内部的孔洞呈蜂窝状；或者所述主体包括若干呈点阵结构排布的晶胞，单个所述晶胞内部的孔洞由xyz三个方向的圆柱贯穿形成；

所述主体内部的孔洞占所述主体的体积分数为40％～60％。

在一个可行的实现方式中，所述氮吸附装置还包括位于所述主体表面的涂层，所述氮吸附颗粒嵌入所述涂层上。

在一个可行的实现方式中，所述涂层的材质为碳化硅或者碳化钽，所述涂层的厚度为50μm～100μm；

所述氮吸附颗粒的材质选自钽、钛、氧化钽、氧化钛与氧化铝中的至少一种，所述氮吸附颗粒的尺寸为50μm～200μm；

所述氮吸附颗粒占所述涂层的质量分数为20％～40％。

附图说明

图1为本发明一实施方式的减少半导体外延中氮残留的记忆效应的方法的流程图；

图2为本发明一实施方式的氮吸附装置的立体示意图；

图3为本发明一实施方式的氮吸附装置的正视图；

图4为沿图3中A-A的剖面示意图；

图5为本发明一实施方式的氮吸附装置的晶胞的示意图；

图6为实施例1和对比例1的外延生长过程中炉次与炉次之间的掺杂浓度图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本发明一实施方式的减少半导体外延中氮残留的记忆效应的方法，包括如下步骤：

S10：步骤一、提供生长腔室、若干半导体衬底和氮吸附装置。

其中，生长腔室即外延生长的腔室；半导体衬底可以为N型碳化硅，N型碳化硅的尺寸例如可以为4寸～8寸，N型碳化硅的倾角例如可以为1°～8°。

其中，氮吸附装置用于吸附残留在生长腔室内的氮气，本发明对氮吸附装置的具体形式不做限制。

进一步地，请一并参见图2～图5，其中一可行的实施方式的氮吸附装置100包括主体110和负载于主体110上的氮吸附颗粒，主体110的内部具有若干孔洞120。其中，氮吸附颗粒可以以任意形式负载于主体110上，例如可以直接嵌入主体110上或者通过其他载体负载于主体110上。其中，孔洞120能够增加吸附的表面积，从而提高吸附氮气的效率。

本发明的氮吸附装置100中，氮吸附颗粒用于吸附残留在生长腔室内的氮气，氮吸附颗粒可以是能够吸附氮气的任意颗粒，优选具有高吸附效率和高氮吸附容量的材料。

通过上述氮吸附装置100的吸附作用，能够尽可能消除掺杂气体的残留，进一步减少CVD外延过程中氮残留导致的N型记忆效应。

在前述实施方式的基础上，主体110呈圆柱形，主体110的材质为石墨、碳或者钼。其中，石墨、碳或者钼均为高纯材质，避免引入其他杂质。主体110的材质优选为等静压石墨，等静压石墨具有耐高温的作用，能够承受一千多度的高温，在高温条件下的形变小，不容易裂开，能够避免应力损伤。

在前述实施方式的基础上，主体110包括若干呈点阵结构排布的晶胞130，单个晶胞130内部的孔洞120由xyz三个方向的圆柱贯穿形成，如图5所示。若干晶胞130呈点阵结构排布之后，主体110的外形根据需要加工成圆柱形等形状。这种结构的优势在于拥有大比表面积的同时且便于加工，比表面积大能够提高吸附氮气的效率。当然，本发明的氮吸附装置中，主体110内部的孔洞120的形状不限于此，还可以为其他任意可行的形状。例如，主体110内部的孔洞120还可以呈蜂窝状。蜂窝状的孔洞120能够增加吸附的表面积，能够提高吸附氮气的效率。

在前述实施方式的基础上，主体110内部的孔洞120占主体110的体积分数为40％～60％。此时，孔洞120表面用于吸附氮气的表面积较大，能够提高吸附氮气的效率，缩短吸附氮气的时间。

在前述实施方式的基础上，氮吸附装置100还包括位于主体110表面的涂层，氮吸附颗粒嵌入涂层上。其中，氮吸附颗粒的至少部分暴露在氮气中。涂层为非致密涂层，能够将氮吸附颗粒尽可能多的暴露于氮气中，以充分发挥氮吸附颗粒吸附氮气的作用。

在前述实施方式的基础上，涂层的材质为碳化硅或者碳化钽，涂层的厚度为50μm～100μm。这两种材质的涂层具有耐高温的作用，能够承受一千多度的高温，在高温条件下的形变小，不容易裂开。

在前述实施方式的基础上，氮吸附颗粒的材质选自钽、钛、氧化钽、氧化钛与氧化铝中的至少一种，氮吸附颗粒的尺寸为50μm～200μm。其中，当氮吸附颗粒的材质选自钽、钛、氧化钽、氧化钛与氧化铝中的两种或者两种以上时，氮吸附颗粒为上述两种或者两种以上材质的组合。

在前述实施方式的基础上，氮吸附颗粒占涂层的质量分数为20％～40％。

S20：步骤二、半导体衬底在生长腔室内进行外延生长，并采用氮气作为掺杂源进行掺杂，外延生长结束后将外延片移出生长腔室，生长腔室内残留有氮气。

其中，可以将半导体衬底放置在石墨的生长装置上，传入生长腔室采用本领域外延生长的常用工艺条件进行外延生长。进行外延生长的过程中，反应腔的压力可以为100mbar～200mbar，使用源气例如可以为TCS或者C

外延生长结束后，将生长腔室的温度降至900摄氏度或者以下，之后使用机械手将外延片移出生长腔室。

S30：步骤三、将氮吸附装置移入生长腔室，采用氮吸附装置吸附生长腔室内残留的氮气，充分吸附之后将氮吸附装置移出生长腔室。

步骤三中，通过氮吸附装置的安装和调整，使氮吸附装置能够充分接触并吸附生长腔室内的残留掺杂气体。氮吸附装置可以设计成在生长腔室内进行布置，以便能够有效地吸附氮气。

在一个可行的实施方式中，步骤三中，采用氮吸附装置吸附生长腔室内残留的氮气的操作中，生长腔室的温度为1000摄氏度～1100摄氏度。此时的高温可以让氮气更活跃，以使吸附在生长腔室表面的氮气析出更多。

在一个可行的实施方式中，步骤三中，采用氮吸附装置吸附生长腔室内残留的氮气的操作中，生长腔室的载气流量为150SLM～180SLM，吸附的时间为10分钟～15分钟。

步骤三的具体操作可以为：将氮吸附装置移入生长腔室，并置于载盘上，将生长腔室的载气流量升至150SLM～180SLM，将生长腔室的温度升高至1000摄氏度～1100摄氏度，开启载盘的循环气体，开始吸附作业，吸附10分钟～15分钟之后将氮吸附装置移出生长腔室。经过步骤三，能够使至少部分残留的氮气被吸附至氮吸附装置内。

S40：步骤四、将步骤一的半导体衬底移入生长腔室内，之后重复步骤二和步骤三。

步骤一的半导体衬底即新的待外延生长的半导体衬底，可以根据需要进行外延生长的半导体衬底的数量重复步骤四的操作，直至完成若干碳化硅衬底的外延生长。

应用本发明技术方案的减少半导体外延中氮残留的记忆效应的方法，能够通过氮吸附装置吸附生长腔室内残留的氮气，从而充分减少半导体外延中的氮残留，进一步减少半导体外延过程中氮残留导致的N型记忆效应，改善外延片的质量和性能，提高电子器件的可靠性和稳定性，有利于广泛应用。

进一步地，相对于传统技术方案中采用抽真空的方式去除掺杂气体，本发明的氮吸附装置不会引起生长腔体内的紊流，避免了多晶碳化硅颗粒物四散飞溅导致后续外延片生长的掉落物缺陷增加的问题。因此，本发明可以在减少氮残留的同时保持外延片的质量，避免生产缺陷并提高生产效率。

请参见图2～图5，本发明一实施方式的氮吸附装置100包括主体110和负载于主体110上的氮吸附颗粒，主体110的内部具有若干孔洞120。其中，氮吸附颗粒可以以任意形式负载于主体110上，例如可以直接嵌入主体110上或者通过其他载体负载于主体110上。其中，孔洞120能够增加吸附的表面积，从而提高吸附氮气的效率。

本发明的氮吸附装置100中，氮吸附颗粒用于吸附残留在生长腔室内的氮气，氮吸附颗粒可以是能够吸附氮气的任意颗粒，优选具有高吸附效率和高氮吸附容量的材料。

通过上述氮吸附装置100的吸附作用，能够尽可能消除掺杂气体的残留，进一步减少CVD外延过程中氮残留导致的N型记忆效应。

在前述实施方式的基础上，主体110呈圆柱形，主体110的材质为石墨、碳或者钼。其中，石墨、碳或者钼均为高纯材质，避免引入其他杂质。主体110的材质优选为等静压石墨，等静压石墨具有耐高温的作用，能够承受一千多度的高温，在高温条件下的形变小，不容易裂开，能够避免应力损伤。

在前述实施方式的基础上，主体110包括若干呈点阵结构排布的晶胞130，单个晶胞130内部的孔洞120由xyz三个方向的圆柱贯穿形成，如图5所示。若干晶胞130呈点阵结构排布之后，主体110的外形根据需要加工成圆柱形等形状。这种结构的优势在于拥有大比表面积的同时且便于加工，比表面积大能够提高吸附氮气的效率。当然，本发明的氮吸附装置中，主体110内部的孔洞120的形状不限于此，还可以为其他任意可行的形状。例如，主体110内部的孔洞120呈蜂窝状。蜂窝状的孔洞120能够增加吸附的表面积，能够提高吸附氮气的效率。

在前述实施方式的基础上，主体110内部的孔洞120占主体110的体积分数为40％～60％。此时，孔洞120表面用于吸附氮气的表面积较大，能够提高吸附氮气的效率，缩短吸附氮气的时间。

在前述实施方式的基础上，氮吸附装置100还包括位于主体110表面的涂层，氮吸附颗粒嵌入涂层上。其中，氮吸附颗粒的至少部分暴露在氮气中。涂层为非致密涂层，能够将氮吸附颗粒尽可能多的暴露于氮气中，以充分发挥氮吸附颗粒吸附氮气的作用。

在前述实施方式的基础上，涂层的材质为碳化硅或者碳化钽，涂层的厚度为50μm～100μm。这两种材质的涂层具有耐高温的作用，能够承受一千多度的高温，在高温条件下的形变小，不容易裂开。

在前述实施方式的基础上，氮吸附颗粒的材质选自钽、钛、氧化钽、氧化钛与氧化铝中的至少一种，氮吸附颗粒的尺寸为50μm～200μm。其中，当氮吸附颗粒的材质选自钽、钛、氧化钽、氧化钛与氧化铝中的两种或者两种以上时，氮吸附颗粒为上述两种或者两种以上材质的组合。

在前述实施方式的基础上，氮吸附颗粒占涂层的质量分数为20％～40％。

应用本发明技术方案的氮吸附装置，能够在半导体外延生长后吸附生长腔室内残留的氮气，从而充分减少半导体外延中的氮残留，进一步减少半导体外延过程中氮残留导致的N型记忆效应，改善外延片的质量和性能，提高电子器件的可靠性和稳定性，有利于广泛应用。

参照上述实施内容，为了使得本发明的技术方案更加具体清楚、易于理解，现对本发明技术方案进行举例，但是需要说明的是，本发明所要保护的内容不限于以下实施例1。

实施例1

步骤一、提供生长腔室、若干碳化硅衬底和如图2～图5所示的氮吸附装置。其中，碳化硅衬底的尺寸为6寸，碳化硅衬底的倾角为4°。

步骤二、将碳化硅衬底放置在石墨的生长装置上，传入生长腔室进行外延生长。进行外延生长的过程中，反应腔的压力为100mbar，使用源气为TCS和C

步骤三、在生长间隔内将氮吸附装置传入生长腔室内，并置于载盘上，将生长腔室的载气流量升至150SLM，将生长腔室的温度升高至1600摄氏度，开启载盘的循环气体，开始吸附作业，吸附20分钟之后将氮吸附装置移出生长腔室。

步骤四、将新的半导体衬底移入生长腔室内，之后重复步骤二和步骤三。重复步骤四的操作，直至完成若干碳化硅衬底的外延生长。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于，不包括步骤三。

性能测试：

对实施例1和对比例1的外延生长过程中炉次与炉次之间的掺杂浓度进行测试，得到图6。从图6可以看出，与对比例1的使用氮吸附装置前的半导体外延相比，本发明实施例1的每批次半导体外延之后使用了氮吸附装置来吸附生长腔室中残留的氮气，炉次与炉次之间的掺杂浓度的变化量有明显的缩小，表明采用本发明的减少半导体外延中氮残留的记忆效应的方法能够充分减少半导体外延中的氮残留。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。