CN109314048A - 气体配管系统、化学气相生长装置、成膜方法和SiC外延晶片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
该气体配管系统是向在内部进行气相生长的反应炉供给多种气体的运行放气方式的气体配管系统，其具备：将上述多种气体分别送入的多条供给管线，从上述反应炉的排气口向排气泵连接的排气管线，具备从上述多条供给管线分别分支、并向上述反应炉供给上述多种气体的1个或多个配管的运行管线，从上述多条供给管线分别分支、并与上述排气管线连接的多条放气管线，以及分别设置在上述多条供给管线的分支点、并将向运行管线侧流通气体或向放气管线侧流通气体进行切换的多个阀；上述多条放气管线被分离直到达到上述排气管线，上述排气管线的内径大于上述多条放气管线各自的内径。
Description
技术领域
本发明涉及气体配管系统、化学气相生长装置、成膜方法以及SiC外延晶片的制造方法。本申请基于2016年7月7日在日本申请的特愿2016-135282来主张优先权，将其内容援用到本文中。
背景技术
碳化硅(SiC)与硅(Si)相比具有优异的特性，期待向功率器件、高频器件、高温运作器件等的应用。例如，SiC的绝缘击穿电场比Si大1个数量级，SiC的带隙比Si大3倍，SiC的导热率比Si高3倍左右。因此，近年来，作为半导体器件的基板，SiC外延晶片受到关注。
SiC外延晶片通过在SiC单晶基板上通过化学气相生长法(Chemical VaporDeposition：CVD)使成为SiC半导体器件的活性区域的SiC外延层生长来制造。
在使SiC外延层生长时，在化学气相生长装置的反应炉内供给原料气体、掺杂剂气体、蚀刻气体、载气等。例如，专利文献1中记载了使用氨作为掺杂剂气体。此外，专利文献2中记载了使用氯化氢作为蚀刻气体、使用氯化硅烷作为原料气体。
此外，为了提高半导体器件的性能，要求被成膜的外延层的结晶性高的高品质的外延晶片。作为稳定地制作高品质的外延层的方法之一，已知例如专利文献3所记载的运行放气方式(日文原文：ランベント方式)的气体配管系统。运行放气方式的气体配管系统能够抑制导入到反应炉的气体的流速、压力的变动，并抑制结晶生长面中的气体的混乱。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-261612号公报
专利文献2：日本特开2006-321696号公报
专利文献3：日本特开平4-260696号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，即使使用上述的运行放气方式的化学气相装置，也存在下述问题：随着时间经过，所得的外延层的再现性变差，或结晶性降低而不能稳定获得高品质的膜。
该问题可以认为是因为在反应炉内供给各种气体而产生的。在向反应炉内供给的气体中，有时包含通过组合而在常温下彼此反应而生成固体生成物的气体(以下，称为造成堆积的气体)。
例如，在SiC外延生长时，如果同时使用氯化氢或氯化硅烷和氨，则形成氯化铵而生成堆积物。这样的堆积物具有堵塞气体的配管的可能性。
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的是提供抑制了配管的堵塞的气体配管系统。
用于解决课题的方法
向反应炉输送气体的运行管线是供给到反应炉的气体流通的配管，因此对结晶生长带来直接影响的可能性高，为了不发生堵塞等而进行了考虑。然而，与排气侧连接的放气管线不是向反应炉供给气体的配管，带来直接影响的可能性低，并未受到关注。
在这样的技术常识中，本发明人等深入研究的结果是，着眼于排气侧的放气管线。于是发现，通过将放气管线分离地配设，能够抑制放气管线的堵塞。其结果发现，能够抑制运行管线与放气管线的气体流速和气体压力产生差，并且能够提高结晶生长时的条件设定的自由度。
即，本发明为了解决上述课题，提供以下手段。
(1)第1方案涉及的气体配管系统是向在内部进行气相生长的反应炉供给多种气体的运行放气方式的气体配管系统，其具备：将上述多种气体分别送入的多条供给管线，从上述反应炉的排气口向排气泵连接的排气管线；具备从上述多条供给管线分别分支、并向上述反应炉供给上述多种气体的1个或多个配管的运行管线，从上述多条供给管线分别分支、并与上述排气管线连接的多条放气管线，以及分别设置在与上述多条供给管线的分支点，并将向运行管线侧流通气体或向放气管线侧流通气体进行切换的多个阀；上述多条放气管线被分离直到达到上述排气管线，上述排气管线的内径大于上述多条放气管线各自的内径。
(2)在上述方案涉及的气体配管系统的上述运行管线中，可以为“从上述分支点连接的各个配管在达到上述反应炉之前合流”的构成。
(3)上述方案涉及的气体配管系统可以为“在上述多条放气管线内，至少一个放气管线与上述排气管线连接，剩下的放气管线与独立设置的其它排气泵分别连接”的构成。
(4)在上述方案涉及的气体配管系统中，与上述多条放气管线各自连接的连接点处的上述排气管线的配管内径可以为3cm以上。
(5)第1方案涉及的化学气相生长装置具备上述方案涉及的气体配管系统、和与上述气体配管系统连接的反应炉。
(6)第1方案涉及的成膜方法是使用了上述方案涉及的化学气相生长装置的成膜方法，将在常温下彼此反应而生成固体化合物的造成堆积的气体分别送入到被分离的不同的放气管线。
(7)在上述方案涉及的成膜方法中，在上述多条放气管线进行合流的上述排气管线中，上述造成堆积的气体各自的气体浓度可以为送入上述排气管线的气体整体的5％以下。
(8)第1方案涉及的SiC外延晶片的制造方法是使用了上述方案涉及的成膜方法的SiC外延晶片的制造方法，上述造成堆积的气体为由在分子内包含N原子并且不具有N原子彼此的双键和三键中的任一种的分子构成的碱性N系气体、和由在分子内包含Cl原子的分子构成的Cl系气体。
发明效果
根据上述方案涉及的气体配管系统，能够抑制配管的堵塞。其结果，能够抑制化学气相生长装置的运行管线与放气管线的气体流速和气体压力产生差，并且能够提高结晶生长时的条件设定的自由度。
附图说明
图1是第1实施方式涉及的化学气相生长装置的示意图。
图2是放气管线在达到排气管线之前合流的化学气相生长装置的示意图。
图3是第2实施方式涉及的化学气相生长装置的示意图。
图4是第3实施方式涉及的化学气相生长装置的示意图。
具体实施方式
以下，适当参照附图对气体配管系统和化学气相生长装置详细地说明。以下说明中使用的附图有时为了易于理解本发明的特征而方便地将作为特征的部分放大显示，有时各构成要素的尺寸比率等与实际不同。在以下说明中例示的材质、尺寸等是一例，本发明不限定于此，在不变更其主旨的范围内能够适当变更来实施。
(第1实施方式)
图1是第1实施方式涉及的化学气相生长装置的示意图。图1所示的化学气相生长装置100具备：气体配管系统10、反应炉20、和排气泵30。从气体配管系统10向反应炉20中供给多种气体。反应炉20和排气泵30可以使用公知物。
气体配管系统10为具备供给管线1、排气管线2、运行管线3、放气管线4、和阀5的运行放气方式的气体配管系统。
对每种供给到反应炉20的气体都设置多条供给管线1。各个供给管线1的一端与气瓶等气体供给机构(图视省略)连接。
各个供给管线1分支成运行管线3和放气管线4。在分支部分别设置有控制气体流动的阀5。
对于运行放气方式而言，在运行管线侧和放气管线侧各具有1个阀5，形成阀对。阀对使用相同形状的阀，在尽量接近于供给管线1的分支点的位置对称配置。根据供给气体的种类而在接近的位置设置多个这样的阀对。通过在接近的位置配置阀，从而在将外延生长的工艺中被供给的气体用阀进行切换时，能够极力减少各供给气体的切换产生延迟。也有时使用将这样的多个阀对汇总成区块状的区块阀(ブロックバルブ)作为阀5。
在流通气体的情况下，成对的阀5以一方为开时另一方为闭的方式使用。即，成对的阀5不会同时为开。例如，首先使放气管线侧为开而使流量稳定后，同时进行运行管线侧的开与放气管线侧的闭，从而能够防止在阀的控制时流量变动，气体流量产生混乱。
运行管线3将阀5与反应炉20连接。关于图1所示的运行管线3，从各个供给管线1分支的配管将阀5与反应炉20连接的过程中合流。即，运行管线3作为一个歧管而构成。通过使运行管线3作为一个歧管而构成，能够使阀5的运行管线侧的位置与供给管线1的分支点接近。如果阀5的运行管线侧的位置与供给管线1的分支点接近，则如上述那样将在外延生长的工艺中被供给的气体进行切换时，能够极力减少各供给气体的切换产生延迟。
放气管线4将阀5与排气管线2连接。排气管线2为将反应炉20的排气口与排气泵30连接的配管。从供给管线1分支的各个放气管线4被分离直到达到排气管线2。因此，直到达到排气管线2，在放气管线4内流通的气体彼此不会被混合。
供给管线1、排气管线2、运行管线3和放气管线4所使用的配管和阀5所使用的切换阀可以使用公知物。
以下，以在反应炉20内制造SiC外延晶片的情况作为例子，对化学气相生长装置100内的气体流动进行说明。
首先，对使SiC外延晶片结晶生长而使用的气体进行说明。在使SiC外延晶片结晶生长时，使用原料气体、掺杂剂气体、蚀刻气体、载气等多种气体。
这里，将SiC外延晶片的结晶生长所使用的多种气体区分成“Si系气体”、“C系气体”、“Cl系气体”、“N系气体”、“其它杂质掺杂气体”、“其它气体”这6种。
“Si系气体”是包含Si作为构成气体的分子的构成元素的气体。
例如硅烷(SiH4)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiHCl3)、四氯硅烷(SiCl4)等符合。Si系气体作为原料气体之一而使用。
“C系气体”是包含C作为构成气体的分子的构成元素的气体。例如，丙烷(C3H8)等符合。C系气体作为原料气体之一而使用。
“Cl系气体”是包含Cl作为构成气体的分子的构成元素的气体。
例如，氯化氢(HCl)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiHCl3)、四氯硅烷(SiCl4)等符合。这里，二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiHCl3)、四氯硅烷(SiCl4)也是上述Si系气体。如这些气体那样，也有为“Cl系气体”、“Si系气体”这样的情况。Cl系气体作为原料气体或蚀刻气体而使用。
“N系气体”是包含N作为构成气体的分子的构成元素的气体，并且是由不具有N原子彼此的双键和三键中的任一种的分子构成的碱性气体。例如，由甲基胺(CH5N)、二甲基胺(C2H7N)、三甲基胺(C3H9N)、苯胺(C6H7N)、氨(NH3)、肼(N2H4)、二甲基肼(C2H8N2)、其它胺组成的组中的任一种等符合。即，N2包含N作为构成气体的分子的构成元素但不符合N系气体。N系气体作为杂质掺杂气体之一而使用。
“其它杂质掺杂气体(图视省略)”是N系气体、Cl系气体以外的杂质掺杂气体。例如，N2、三甲基铝(TMA)等符合。
“其它气体”是不对应上述5个分类气体的气体。例如，Ar、He、H2等符合。这些气体是支持SiC外延晶片的制造的气体。“其它气体”是例如为了使原料气体有效率地供给到SiC晶片，作为支持气体流动的载气而使用。
这些气体内，碱性N系气体与酸性Cl系气体如果混合，则发生化学反应，生成固体生成物。例如，如果将作为N系气体的氨、作为Cl系气体的氯化氢进行混合，则形成氯化铵(NH4Cl)。此外，如果将作为N系气体的甲基胺(CH5N)、作为Cl系气体的氯化氢进行混合，则形成单甲基胺盐酸盐(CH5N·HCl)。此外，也有下述那样的报导：如果使作为N系气体的氨、作为Cl系气体的二氯硅烷混合，则形成氯化铵。氯化铵的升华温度为338℃，单甲基胺盐酸盐的熔点为220～230℃，沸点为225～230℃。即，在60℃以下的常温下，生成它们的固体生成物。
对于化学气相生长装置100，将这些气体分别分开从气体供给机构(图视省略)向供给管线1供给。向供给管线1中供给从气瓶、气罐供给的纯度高的气体。因此，通常SiC外延晶片的制造所使用的每种气体都配设供给管线1。只要是在混合时不生成固体生成物的气体种类彼此，就可以向一条供给管线1供给多种气体。
供给到供给管线1的气体分别达到阀5。阀5将向运行管线3侧流通气体或向放气管线4侧流通气体进行切换。在需要供给到反应炉20的情况下向运行管线3侧流通气体，在不需要的情况下向放气管线4侧流通气体。
流通到运行管线3的气体在反应炉20内反应，经由排气管线2从排气泵30排出。此外，流通到放气管线4的气体直接流通到排气管线2，从排气泵30排出。通过使用运行放气方式，能够在使流通供给管线1的气体的流量恒定的状态下，通过阀5的切换向反应炉供给气体。因此，从向反应炉开始流通气体的初期起，由供给管线1供给的气体量稳定，能够抑制伴随气体切换的供给气体的流量变动。通过抑制供给气体的气体流量和气体压力的变动，能够防止外延膜的结晶生长变得不稳定。
这里，对在SiC外延晶片的制造过程的某个时机，不向反应炉20内供给N系气体和Cl系气体中的任一种的情况进行具体说明。
在不向反应炉20内供给N系气体和Cl系气体中的任一种的情况下，从供给管线1供给的N系气体(符号G1)和Cl系气体(符号G2)都通过阀5被控制，流通到放气管线4侧。
在图1所示的气体配管系统10中，对于每种气体，放气管线4都是分离的。因此，N系气体和Cl系气体不会被混合直到达到排气管线2。如果N系气体与Cl系气体不混合，则在放气管线4内也不会产生固体生成物，放气管线4不会堵塞。
与此相对，图2所示的化学气相生长装置101的气体配管系统11，放气管线14在达到排气管线2之前合流。因此，在放气管线14内，N系气体与Cl气体混合，生成固体生成物。其结果，放气管线14堵塞。气体供给部配置在反应器上游，到反应器的距离一般较短，但由于放气管线安设配管直到反应器的下游侧，因此有时比运行管线侧长而易于堵塞。此外，在放气管线14中，一般使用内径为1/4英寸(9.2mm)或3/8英寸(12.7mm)的狭窄配管的情况多，易于堵塞。
如果放气管线14堵塞，则放气管线14的流导(conductance)降低，在运行管线3与放气管线14，气体的流动容易性改变。即，抑制气体流速、压力变动的目的的运行放气方式不再起作用。此外根据情况，也可以考虑到放气管线14完全堵塞，气体不再流通到放气管线14侧。
另一方面，在本实施方式涉及的气体配管系统10中，也是N系气体与Cl系气体在排气管线2中合流。因此，排气管线2可能堵塞。然而，排气管线2需要排出反应炉20内的气体，使用比放气管线4粗的配管。此外，排气管线2通过排气泵30直接被排气，因此气体流速比放气管线4快。因此，固体生成物堆积到堵塞排气管线2的程度，排气管线2的流导大幅变化到带来影响的程度，在通常的使用中不会这样设想。
此外，为了更加抑制排气管线2内的固体生成物的堆积，优选使排气管线2的与放气管线4连接的连接点处的配管内径为3cm以上。对于配管内径的比率，优选使排气管线2的配管内径为放气管线4的配管内径的5倍以上。此外，在多条放气管线4进行合流的排气管线2中，优选使作为造成堆积的气体的N系气体和Cl系气体的气体浓度为送入排气管线2的气体整体的5％以下。
如上述那样，根据第1实施方式涉及的化学气相生长装置100，在放气管线4内造成堆积的气体不会混合，放气管线4配管不会堵塞。如果放气管线4不堵塞，则能够抑制作为化学气相生长装置100整体的气体流速、压力变动，能够稳定地制造高品质的膜。此外，能够自由地设定流通到放气管线4的气体量等，并能够提高控制化学气相生长装置100的设定的自由度。
(第2实施方式)
图3是第2实施方式涉及的化学气相生长装置110的示意图。第2实施方式涉及的化学气相生长装置110中的气体配管系统15在运行管线13被分离直到达到反应炉20的方面不同。其它构成与第1实施方式涉及的化学气相生长装置100同样，对相同构成附上相同符号。
如果运行管线13彼此被分离，则防止在运行管线13中造成堆积的气体彼此混合。即，能够抑制运行管线13内的堵塞。另一方面，如果将运行管线13分离，则与第1实施方式涉及的化学气相生长装置100相比，有时向反应炉20供给必要气体的时机错开。
因此，优选根据进行结晶生长的对象、所使用的气体种类等，适当地分别使用第1实施方式涉及的化学气相生长装置100与第2实施方式涉及的化学气相生长装置110。通常，在外延生长中优先考虑流通到反应炉20侧的运行管线来确定气体流量的程序。因此，运行管线也可以将用于抑制堵塞的气体切换等控制优先设定，与放气管线相比易于进行不发生堵塞那样的控制。与此相对，如果应用上述实施方式涉及的气体配管系统的放气管线，则能够不考虑放气管线侧的堵塞而设定运行管线侧的条件。此外，通过应用第2实施方式涉及的气体配管系统，运行管线这方的限制也变少，能够更加自由地设定外延生长的条件。
(第3实施方式)
图4是第3实施方式涉及的化学气相生长装置120的示意图。第3实施方式涉及的化学气相生长装置120中的气体配管系统16，在一部分的放气管线24与排气管线2连接，剩下的放气管线24与独立设置的其它排气泵31连接的方面不同。其它构成与第1实施方式涉及的化学气相生长装置100同样，对相同构成附上相同符号。
对于第3实施方式涉及的化学气相生长装置120，造成堆积的气体在排气管线2中也不合流。即，将造成堆积的气体从向气体配管系统16供给直到排出完全分离。因此，不会发生造成堆积的气体通过混合而生成固体生成物的情况。
另一方面，需要准备多台排气泵。具有花费设置排气泵的空间和成本这样的问题。因此，优选根据设置化学气相生长装置的环境、能够准备的排气泵的台数等，适当地分别使用第1实施方式涉及的化学气相生长装置100与第3实施方式涉及的化学气相生长装置120。
以上，对本发明的优选实施方式进行了详述，但本发明不限定于特定的实施方式，在专利权利要求书所记载的本发明的主旨的范围内，可以进行各种的变形、变更。
此外，到这里以制造SiC外延晶片的情况为例进行了说明，但不限于该情况，在制作其它膜的情况下也可以使用上述实施方式涉及的化学气相生长装置。
符号的说明
1…供给管线，2…排气管线，3…运行管线，4、14、24…放气管线，5…阀，10、11、15、16…气体配管系统，20…反应炉，30、31…排气泵，100、101、110、120…化学气相生长装置。
Claims (8)
1.一种气体配管系统，是向在内部进行气相生长的反应炉供给多种气体的运行放气方式的气体配管系统，其具备：
将所述多种气体分别送入的多条供给管线，
从所述反应炉的排气口向排气泵连接的排气管线，
具备从所述多条供给管线分别分支、并向所述反应炉供给所述多种气体的1个或多个配管的运行管线，
从所述多条供给管线分别分支，并与所述排气管线连接的多条放气管线，以及
分别设置在所述多条供给管线的分支点，并将向运行管线侧流通气体或向放气管线侧流通气体进行切换的多个阀；
所述多条放气管线被分离直到达到所述排气管线，所述排气管线的内径大于所述多条放气管线各自的内径。
2.根据权利要求1所述的气体配管系统，在所述运行管线中，从所述分支点连接的各个配管在达到所述反应炉之前合流。
3.根据权利要求1或2所述的气体配管系统，在所述多条放气管线内，至少一个放气管线与所述排气管线连接，剩下的放气管线与独立设置的其它排气泵分别连接。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的气体配管系统，与所述多条放气管线各自连接的连接点处的所述排气管线的配管内径为3cm以上。
5.一种化学气相生长装置，其具备：权利要求1～4中任一项所述的气体配管系统、和与所述气体配管系统连接的反应炉。
6.一种成膜方法，是使用了权利要求5所述的化学气相生长装置的成膜方法，
将在常温下彼此反应而生成固体化合物的造成堆积的气体分别送入到被分离的不同的放气管线。
7.根据权利要求6所述的成膜方法，在所述多条放气管线进行合流的所述排气管线中，所述造成堆积的气体各自的气体浓度为送入所述排气管线的气体整体的5％以下。
8.一种SiC外延晶片的制造方法，是使用了权利要求6或7所述的成膜方法的SiC外延晶片的制造方法，
所述造成堆积的气体为由在分子内包含N原子并且不具有N原子彼此的双键和三键中的任一种的分子构成的碱性N系气体、和由在分子内包含Cl原子的分子构成的Cl系气体。
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