CN103403841A - 气相生长装置及气相生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气相生长装置及气相生长方法。所述气相生长装置具备：气相生长室、加热室、混合室、对三氯硅烷气体进行贮藏的第一贮藏库、对与氯化氢气体发生反应的硅烷类气体进行贮藏的第二贮藏库。加热室连通于第一贮藏库和混合室，并且在将三氯硅烷气体加热之后，向混合室进行供给。混合室连通于第二贮藏库和气相生长室，并使从加热室供给的气体与硅烷类气体混合，且将该混合气体向气相生长室进行供给。加热室的室内温度高于混合室的室内温度。

Description

气相生长装置及气相生长方法
技术领域
本申请要求基于2011年2月28日申请的日本专利申请第2011-042290号的优先权。在本说明书中以参考的方式引用该申请的全部的内容。本申请涉及一种使硅膜在基板的表面上进行生长的气相生长装置及气相生长方法。
背景技术
已知一种使硅膜在基板的表面上进行生长的气相生长装置。在日本特开2009-105328号公报中，公开了一种利用气相生长装置而使硅膜在基板的表面上进行结晶生长的技术。在日本特开2009-105328号公报的技术中，通过将作为原料气体的氯化硅烷气体向气相生长室进行供给，从而使硅膜在基板的表面上进行结晶生长。在特开2009-105328号公报中，作为氯化硅烷气体的一个示例，而列举了三氯硅烷（SiHCl3）。
发明内容
发明所要解决的课题
三氯硅烷气体（SiHCl3）通过分解而生成二氯化硅气体（SiCl2）和氯化氢气体（HCl）。SiHCl3气体的温度越高，则该分解变得越活跃。当SiCl2气体的Si原子结合在基板的表面上时，硅膜将在基板的表面上进行结晶生长。
当硅膜在基板的表面上进行结晶生长时，SiHCl3气体被消耗从而使HCl气体的浓度相对地上升。因此，当进行硅膜的结晶生长时，将产生与上述的分解反应方向相逆的反应，从而降低硅膜的生长速度。
SiHCl3气体与其他的氯化硅烷气体相比，能够以低廉的价格得到。但是，当使用SiHCl3气体以作为原料气体时，因为上述理由而无法加快硅膜的生长速度。本说明书中公开的技术的目的在于，提供一种在使用SiHCl3气体以作为原料气体的同时，加快硅膜的结晶生长的速度的技术。
用于解决课题的方法
在本说明书中公开的气相生长装置的特征在于，在使SiHCl3气体分解而生成SiCl2气体和HCl气体之后，向这些气体中添加与HCl气体发生反应的硅烷类气体。由此，通过使HCl气体的浓度维持在较稀的程度，从而抑制硅膜的生长速度的降低。
在本说明书中公开的气相生长装置为，使硅膜在基板的表面上进行生长的装置，所述气相生长装置具备：气相生长室、加热室、混合室、对SiHCl3气体进行贮藏的第一贮藏库、对与HCl气体发生反应的硅烷类气体进行贮藏的第二贮藏库。加热室连通于第一贮藏库和混合室，并且在将从第一贮藏库供给的SiHCl3气体加热之后，向混合室进行供给。混合室连通于第二贮藏库和气相生长室，并使从加热室供给的气体与硅烷类气体混合，且将该混合气体向气相生长室进行供给。加热室的室内温度高于混合室的室内温度。
在上述气相生长装置中，通过在加热室中对SiHCl3气体进行加热，从而分解成SiCl2气体和HCl气体。在混合室中，硅烷类气体与HCl气体发生反应，从而使在加热室中所生成的HCl气体的浓度变稀。此时，SiCl2气体的浓度不会变稀。从而能够向气相生长室供给SiCl2气体的浓度较浓而HCl气体的浓度较稀的气体。其结果为，由于能够将HCl气体的浓度维持在较稀的程度，因此能够抑制硅膜的生长速度的降低。
上述的硅烷类气体优选为二氯甲硅烷气体（SiH2Cl2）。SiH2Cl2气体不仅与HCl气体发生反应，而且还通过分解而产生SiCl2气体和氢气（H2）。因此，能够使向气相生成室供给的SiCl2气体的浓度更浓，由此能够进一步加快硅膜的生长速度。
优选为，加热室具有加热单元，所述加热单元将SiHCl3气体加热至700～1000℃。越是高温，则SiHCl3气体的分解变得越活跃。在加热室中越将SiHCl3气体加热至高温，则越能够大量地产生SiCl2气体。因此，对SiHCl3气体进行加热的温度优选在700℃以上。此外，当在加热室中进行加热的温度在1000℃以下时，由于能够对如下反应进行抑制，因此能够将HCl气体的浓度维持在较稀的程度，所述反应为，通过HCl气体和硅烷类气体而产生的生成物在混合室中再次分解为HCl气体和硅烷类气体的反应。
在本说明书中公开的硅膜的气相生长方法包括：加热工序，对三氯硅烷气体进行加热；反应工序，使加热工序后的气体与硅烷类气体发生反应；供给工序，将反应工序后的气体向基板的表面进行供给。
发明效果
根据在本说明书中公开的技术，能够在使用廉价的原料气体的同时，加快硅膜的结晶生长速度。
附图说明
图1为表示实施例1的气相生长装置的剖视图。
图2为表示实施例2的气相生长装置的剖视图
具体实施方式
以下，对在本说明书中公开的几个技术特征进行整理并记载。
（特征1）在本说明书中公开的硅膜的气相生长方法优选包括：通过对三氯硅烷气体（SiHCl3）进行加热分解而生成二氯化硅气体（SiCl2）和氯化氢气体（HCl）的工序；通过使所产生的HCl气体与硅烷类气体混合并发生反应，从而使HCl气体的浓度相对于SiCl2气体的浓度而相对地降低的工序；将混合气体向基板的表面进行供给的工序。
（特征2）混合室内的气体的温度优选为500～800℃。由于在混合室内SiHCl3气体的分解被抑制，因此能够对向气相生长室内供给的HCl气体的浓度增加的情况进行抑制。
（特征3）优选在气相生长装置的气相生长室内，于气体供给口与基板之间设置分隔板。此时，混合室可以为，通过该分隔板和气相生长室的壁的一部分而被划分出的空间。气相生长室的一部分兼作混合室，从而不需要另外设置混合室。
实施例1
如图1所示，气相生长装置10具备腔室37、加热室8、第一贮藏库42、第二贮藏库40、第三贮藏库44。腔室37具备气相生长室36和混合室38。气相生长室36和混合室38通过分隔板20而被划分。分隔板20被设置在基板32与被设置在腔室37的上部的气体供给口16、4之间，且具有开口20a。在气相生长室36的下部设置有放置台22。在放置台22的内部设置有加热器24，从而能够将基板32加热至预定的温度。放置台22能够向箭头标记26的方向进行旋转。在气相生长室36的下部还设置有排气口28。废气30经由排气口28而向气相生长室36的外部排出。混合室38经由连通通道2而与第二贮藏库40相连通。在混合室38上设置有气体供给口16、4。气体供给口16、4在与基板32的表面正交的方向上被形成。连通通道2被嵌入到气体供给口4中。
加热室8经由连通通道6而与混合室38相连通，并经由连通通道12而与第一贮藏库42相连通，且经由连通通道14而与第三贮藏库44相连通。连通通道6被嵌入到设置于混合室38上的气体供给口16中。在加热室8内设置有，对加热室8内部进行加热的加热单元15。作为加热单元15，优选使用热交换器、护套加热器。
在第一贮藏库42内贮藏有SiHCl3气体。在第二贮藏库40内贮藏有二氯甲硅烷气体（SiH2Cl2）。在第三贮藏库44内贮藏有氢气（H2）。因此，向加热室8供给来自第一贮藏库42的SiHCl3气体、和来自第三贮藏库44的H2气体。SiHCl3气体的供给量通过阀43而被调节。H2气体的供给量通过阀45而被调节。SiHCl3气体为硅膜的原料气体，H2气体为载体气体。向混合室38供给来自加热室8的气体、和来自第二贮藏库40的SiH2Cl2气体。SiH2Cl2气体的供给量通过阀41而被调节。SiH2Cl2气体为硅膜的原料气体，并且为用于与后述的HCl气体进行反应的硅烷类气体。从加热室8供给的气体和从第二贮藏库40供给的SiH2Cl2气体在混合室38内被混合在一起。在混合室38内被混合在一起的混合气体34通过分隔板20的开口20a而被供给至气相生长室36的下部。阀41、43、45的开度通过控制装置46而被控制。向控制装置46输入加热室8内的温度。
对在基板32的表面上结晶生长硅膜的反应进行说明。向加热室8供给来自第一贮藏库42的SiHCl3气体和来自第三贮藏库44的H2气体。控制装置46对阀43、45的开度进行控制，从而对SiHCl3气体和H2气体的供给量进行调节。被供给至加热室8中的SiHCl3气体通过加热单元15而被加热至700～1000℃，并且以下式（1）所示的方式进行分解（加热工序）。另外，SiHCl3气体的加热温度越高，则下式（1）的反应越易发生，尤其在超过900℃时将变得活跃。
式（1）：SiHCl3→SiCl2+HCl
在加热室8内未分解的SiHCl3气体、在加热室8内产生的SiCl2气体、以及在加热室8内产生的HCl气体，与载体气体（H2气体）一起被供给至混合室38。从第二贮藏库40向混合室38供给SiH2Cl2气体。控制装置46根据加热室8内的温度和供给至加热室8中的SiHCl3气体的供给量，而对阀41的开度进行控制，从而对向混合室38供给的SiH2Cl2气体的供给量进行调节。在混合室38中，从加热室8供给的气体和从第二贮藏库40供给的SiH2Cl2气体被混合在一起，并且混合气体的温度低于加热室8内的气体温度。虽然还根据从加热室8供给的气体的温度而决定，但混合室38内的混合气体的温度为500～800℃。在混合室38中，发生下式（2）及（3）的反应（反应工序）。
式（2）：SiH2Cl2+HCl→SiHCl3+H2
式（3）：SiH2Cl2→SiCl2+H2
上式（2）表示通过使在加热室8中所产生的HCl气体与SiH2Cl2气体发生反应，从而生成SiHCl3气体的反应。在上式（2）中，SiH2Cl2气体作为用于使HCl气体的浓度变稀的气体而发挥作用。由此，SiCl2气体的浓度不变稀，而HCl气体的浓度变稀。如上文所述，SiHCl3气体的加热温度越高，则上式（1）的反应越易发生。即，SiHCl3气体的加热温度越高，则被供给至混合室38的HCl气体的浓度变得越浓。但是，由于通过控制装置46而向混合室38供给与加热室8内的温度相对应的量的SiH2Cl2气体，因此能够使HCl气体的浓度变稀至所需的浓度。
另外，通过上式（2）的反应而在混合室38内重新产生SiHCl3气体。但是，混合室38内的气体的温度低于加热室8内的气体的温度。因此，与在加热室8内相比，在混合室38内不易发生上式（1）的反应，从而抑制了HCl气体的产生。因此，向气相生长室36供给SiCl2气体的浓度较浓而HCl气体的浓度较稀的混合气体。
如上式（3）所示，在混合室38内还发生了SiH2Cl2气体分解成SiCl2气体的反应。因此，SiH2Cl2气体不仅作为使HCl气体的浓度变稀的气体而发挥作用，还作为使SiCl2气体的浓度变浓的气体而发挥作用。当混合气体34到达基板32的表面时，混合气体34中的SiCl2气体的Si原子将与基板32的表层部的Si原子结合（供给工序）。
当SiCl2气体的Si原子与基板32的表层部的Si原子结合时，在基板32的表面上将发生如下式（4）所示的反应。下式（4）表示结合在基板32的表层部上的SiCl2的Cl原子与H2气体（载体气体）发生反应，从而在基板32的表面上留下Si原子的情况。通过下式（4）的反应，从而使硅膜结晶生长在基板32的表面上。如下式（4）所示，当硅膜结晶生长在基板32的表面上时，作为副产物而生成HCl气体。
式（4）：SiCl2+H2→Si+2HCl
在基板32的表面上，在上式（4）的反应的基础上，还以一定的比例发生下式（5）的反应。下式（5）的反应为上述（4）的逆反应，且表示结晶生长在基板32的表面上的硅膜通过HCl气体而被蚀刻的情况。当下式（5）的反应变得活跃时，硅膜的结晶生长的速度将变慢。从下式（5）可明确如下内容，即，气相生长室36内的HCl气体的浓度越浓，则越容易在基板32的表面上发生下式（5）的反应，从而硅膜的结晶生长的速度变得越慢。
式（5）：Si+3HCl→SiHCl3+H2
在气相生长装置10中，如式（1）所示，在加热室8中将SiHCl3气体分解成SiCl2气体和HCl气体。然后，如式（2）所示，能够在混合室38中对HCl气体进行去除。因此，不易发生式（5）的反应，从而能够加快硅膜的生长速度。另外，在混合室38中，由于式（2）的反应而重新产生SiHCl3气体。但是，由于混合室38的温度低于加热室8的温度，因此抑制了SiHCl3气体的分解，从而抑制了HCl气体的产生。
实施例2
如图2所示，在气相生长装置50中，冷却室38a被设置在腔室37的外部。在冷却室38a中设置有，对冷却室38a内部进行冷却的冷却单元64。作为冷却单元64，优选使用热交换器、珀尔帖元件（Peltier Element）。在腔室37的上部设置有气体供给口62，且连通通道60被嵌入到气体供给口62中。冷却室48和混合室38b通过连通通道60而相连通。来自加热室8的气体、和来自第二贮藏库40的SiH2Cl2气体被供给至冷却室38a。在冷却室38a中，从加热室8供给的气体和从第二贮藏库40供给的SiH2Cl2气体一边混合一边被冷却。因此，可以将冷却室38a和混合室38b一起看作是混合室38。
如上文所述，在气相生长装置50中，能够通过冷却单元64而对混合室38内的气体进行冷却。即使从加热室8供给的气体的温度较高，也能够将混合室38内的气体的温度调节至所需的温度。在冷却室38a中，例如将从加热室8供给的气体和从第二贮藏库40供给的SiH2Cl2气体的混合气体冷却至500～800℃。从而能够更加可靠地抑制在上式（2）中产生的SiHCl3气体再次分解成SiCl2气体和HCl气体的情况。
在上述实施例中，对使用SiH2Cl2气体以作为与HCl气体发生反应的硅烷类气体的示例进行了说明。但也可以代替SiH2Cl2气体，而使用例如甲硅烷气体（SiH4）、乙硅烷气体（Si2H6）、单氯硅烷气体（SiH3Cl）等。即使在使用这些气体时，也优选使混合室38内的气体的温度低于加热室8内的气体的温度。另外，如上文所述，SiH2Cl2气体不仅去除HCl气体，而且还通过分解而产生SiCl2气体。因此，作为与HCl气体发生反应的硅烷类气体，尤其优选使用SiH2Cl2气体。另外，除了实施例的气体之外，还可以向加热室8或混合室38供给含杂质的掺杂剂气体。如果供给含杂质的掺杂剂气体，则能够使n型或p型的硅膜结晶生长。
作为基板32的材料，可以使用硅、氮化铝（AlN）、氧化铝（Al2O3）、碳化硅（SiC）、尖晶石（MgAlO4）、III族氮化物半导体（GaN、AlGaN等）。如果使用硅以作为基板32的材料，则由于材料相同，因此已生长的硅膜中不易产生变形等不良状况。如果使用硅之外的材料以作为基板32的材料，则将对基板进行加热的温度设定在硅的熔点附近，基板也不易产生变形等。因此，能够使高品质的硅膜结晶生长。另外，作为硅以外的材料，尤其优先为氮化铝和碳化硅。氮化铝和碳化硅的热膨胀系数接近硅的热膨胀系数。因此，能够使更高品质的硅膜结晶生长。
虽然在上文中，对本发明的具体示例详细地进行了说明，但是这些只不过是示例，并非对权利要求的范围进行限定的内容。在权利要求书中所记载的技术中，包括对以上所例示的具体示例进行了各种变形、变更的技术。此外，在本说明书或附图中所说明的技术要素可以通过单独或各种组合的方式而发挥技术上的有用性，并不被限定于申请时权利要求书中所记载的组合。此外，在本说明书或附图中所例示的技术能够同时实现多个目的，并且实现其中的一个目的本身也具有技术上的有用性。

Claims (5)

1.一种气相生长装置，其使硅膜在基板的表面上进行生长，
所述气相生长装置具备：气相生长室、加热室、混合室、对三氯硅烷气体进行贮藏的第一贮藏库、对与氯化氢气体发生反应的硅烷类气体进行贮藏的第二贮藏库，
所述加热室连通于所述第一贮藏库和所述混合室，并且在将从所述第一贮藏库供给的所述三氯硅烷气体加热之后，向所述混合室进行供给，
所述混合室连通于所述第二贮藏库和所述气相生长室，并使从所述加热室供给的气体与所述硅烷类气体混合，且将该混合气体向所述气相生长室进行供给，
所述加热室的室内温度高于所述混合室的室内温度。
2.如权利要求1所述的气相生长装置，其中，
所述硅烷类气体为二氯甲硅烷气体。
3.如权利要求1或2所述的气相生长装置，其中，
所述加热室具有加热单元，所述加热单元将所述三氯硅烷气体加热至700～1000℃。
4.如权利要求1至3中的任意一项所述的气相生长装置，其中，
所述混合室具有冷却单元，所述冷却单元对所述混合气体进行冷却。
5.一种硅膜的气相生长方法，包括：
加热工序，对三氯硅烷气体进行加热；
反应工序，使所述加热工序后的气体与硅烷类气体发生反应；
供给工序，将所述反应工序后的气体向基板的表面进行供给。
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