CN111261548B - SiC化学气相沉积装置和SiC外延晶片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及SiC化学气相沉积装置和SiC外延晶片的制造方法。该SiC化学气相沉积装置具有在内部构成沉积空间的炉体和位于上述沉积空间的下部且在载置面上载置SiC晶片的载置台，上述炉体在与上述载置台大致正交的上下方向上被分离为多个部件，上述多个部件具有第一部分和第二部分，上述第一部分具有向外周方向突出的突出部，上述第二部分具有供上述突出部钩挂的钩部，上述第一部分与上述第二部分通过上述钩部钩挂于上述突出部而连结。

Description

SiC化学气相沉积装置和SiC外延晶片的制造方法
技术领域
本发明涉及SiC化学气相沉积装置和SiC外延晶片的制造方法。
本申请基于2018年12月3日申请的日本专利申请第2018-226466号要求优先权，并将其内容引用于此。
背景技术
与硅(Si)相比，碳化硅(SiC)具有绝缘击穿电场大1个数量级、带隙大3倍、热导率高3倍左右等特性。SiC由于具有这些特性，可期待应用于功率器件、高频器件、高温动作器件等。因此，近年来，SiC外延晶片已经用于上述SiC器件。
SiC外延晶片是通过在SiC基板(SiC晶片、晶片)上使成为SiC半导体器件有源区的SiC外延膜外延生长而制造的。SiC晶片是通过由利用升华法等制成的SiC的块状单晶进行加工而得到的，SiC外延膜是利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition：CVD)装置而形成的。
基于升华法得到的SiC的块状单晶是使用坩埚而制成的。原料粉末配置于被坩埚覆盖的区域的下部，晶种配置于高处。通过从坩埚的外周加热原料粉末，升华的原料在晶种表面再结晶，得到SiC块状单晶。
与此相对，化学气相沉积装置具备在内部形成沉积空间的炉体、和配置在沉积空间内的载置台、以及位于炉体外部或载置台内部的加热单元。在载置台上载置SiC晶片。化学气相沉积装置将原料气体以流动不被打乱的方式供给到沉积空间内，通过由加热单元形成的辐射热对SiC晶片附近进行加热，从而在SiC晶片表面形成薄膜的SiC外延膜。
例如，日本特开2009-74180号公报中公开了用于制成SiC外延晶片的化学气相沉积装置。SiC外延晶片在由单一的炉体封闭的封闭空间内形成。
发明内容
为了促进使用了SiC外延晶片的SiC器件的实用化，需要确立高品质且低成本的SiC外延晶片和外延生长技术。
如果使用化学气相沉积装置将SiC外延膜多次成膜，则存在在炉体的内壁形成附着物的情况。附着物为附着于炉体内壁的SiC。附着物会导致形成颗粒物，如果颗粒物掉落在SiC基板则可导致缺陷。然而，每次进行炉体内部的清扫则可能导致生产率降低。
本发明鉴于上述问题而完成，目的在于提供一种能够减少SiC外延膜成膜所耗费的成本的SiC外延晶片的制造装置。
本发明人等进行了反复深入的研究，其结果发现了通过形成炉体可分离的结构，能够仅更换易于产生附着物的炉体下部，能够减少SiC外延晶片制造中的成本。
即，本发明为了解决上述课题，提供以下的手段。
(1)本发明的第一方式的SiC化学气相沉积装置具备：炉体，在内部构成沉积空间；载置台，位于上述沉积空间的下部，在载置面上载置SiC晶片，在与上述载置台大致正交的上下方向上，上述炉体被分离为多个部件，上述多个部件具有第一部分和第二部分，上述第一部分具有向外周方向突出的突出部，上述第二部分具有供上述突出部钩挂的钩部，上述第一部分与上述第二部分通过上述钩部钩挂于上述突出部而连结。
(2)上述(1)的方式的SiC化学气相沉积装置中，可以构成为：上述炉体被分离为炉体上部和炉体下部，上述第一部分为上述炉体下部，上述第二部分为上述炉体上部。
(3)上述(1)或(2)的方式的SiC化学气相沉积装置中，可以构成为，上述突出部位于上述第一部分的上端，上述钩部位于上述第二部分的下端。
(4)上述(1)～(3)中任一项所述的SiC化学气相沉积装置中，可以构成为，上述钩部为嵌合上述突出部的嵌合部，上述嵌合部为在上述炉体上部的内侧面向上述外周方向凹陷的部分。
(5)上述(1)～(4)中任一项所述的SiC化学气相沉积装置中，可以构成为，上述炉体的厚度为0.5mm～10mm。
(6)上述(1)～(5)中任一项所述的SiC化学气相沉积装置中，可以构成为，上述炉体中上述炉体下部的内壁与上述炉体上部的内壁大致齐平。
(7)上述(1)～(6)中任一项所述的SiC化学气相沉积装置中，可以构成为，在上述炉体下部具备加热单元。
(8)本发明的第二方式的SiC外延晶片的制造方法使用第一方式的SiC化学气相沉积装置。
根据上述方式的SiC外延晶片的制造装置，能够减少SiC外延晶片的制造成本。
附图说明
图1是本发明的一个方式的化学气相沉积装置的剖面示意图。
图2是本发明的一个方式的化学气相沉积装置的剖面示意图。
图3是本发明的一个方式的化学气相沉积装置的剖面示意图。
图4是本发明的一个方式的化学气相沉积装置的剖面示意图。
附图标记的说明
1、1X、1Y、1Z：化学气相沉积装置；2、2X、2Y、2Z：炉体；3、3X、3Y：炉体上部；31：顶部；32：侧部；32A：内部(内壁)；32B：外部(外壁)；320、320X、721：嵌合部；320Y：钩部；33：第一孔；4、4X：炉体下部；41：底部；42：侧壁；42A：内壁；43：第二孔；420、420X、720：突起部；5：载置台；51：支承体；52：支承柱；5A：上面(载置面)；6：加热单元；R：沉积空间；W：晶片
具体实施方式
以下，对于应用本发明的SiC化学气相沉积装置的一个例子，适当参照图并详细进行说明。
应予说明，以下的说明中使用的附图中，为了使本发明的特征更容易理解，方便起见，有时放大特征的部分，各构成要素的尺寸比率等存在与实际上不同的情况。另外，以下的说明中例示的材质、尺寸等是一个例子，本发明并不限于这些例子，在不改变其主旨的范围内可以适当地变更而实施。
＜SiC化学气相沉积装置＞
(第一实施方式)
图1是本发明的第一实施方式的SiC化学气相沉积装置1的剖面示意图。SiC化学气相沉积装置1具有在内部构成沉积空间R的炉体2和位于沉积空间R内且载置SiC晶片W的载置台5。
应予说明，本说明书中，方便起见，将炉体2中载置台5所在的方向称为下方，将在载置台5设置有后述的第一孔33的方向称为上方。
(载置台)
载置台5例如具有支承体51和支承柱52。支承体51支承SiC晶片W。在支承体51的上表面(载置面)5A，具备SiC晶片W或未图示的基座。支承柱52为从支承体51向下方延伸的支承轴。支承柱52例如与未图示的旋转机构连结。支承体51因利用旋转机构使支承柱52旋转而能够旋转。
载置台5可以进一步具备加热单元。加热单元设置于支承体51的内部。加热单元例如为加热器。加热单元被穿过支承柱52内部从外部通电。
(炉体)
炉体2在内部具有沉积空间R。图1所示的炉体2被分离为炉体上部3和炉体下部4。炉体下部4为第一部分的一个例子，炉体上部3为第二部分的一个例子。
在SiC外延晶片的制造过程中，炉体的下部容易产生堆积物。在炉体的下部产生的堆积物附着于SiC基板的表面时，导致缺陷。因此，如果堆积物堆积，则多数情况需要更换炉体。本实施方式的SiC化学气相沉积装置1，即使因在炉体下部4产生堆积而需要更换的情况下，也可以仅更换炉体下部4。能够实现降低SiC化学气相沉积装置1的维护频率和提高SiC外延晶片的生产率。炉体价格高，通过减少更换的部分能够抑制费用负担。因此，根据本实施方式的SiC化学气相沉积装置1，能够抑制提供SiC外延晶片所需的成本。
另外，通过炉体2被分离为炉体上部3和炉体下部4，能够抑制炉体上部3与炉体下部4之间的热传导。即，炉体上部3与炉体下部4间的热传导受到阻碍。如果炉体上部3变成高温，则从后述的第一孔33供给的原料气体分解，分解的原料气体彼此发生反应，在炉体上部3再结晶。再结晶化的堆积物如上所述地导致缺陷。通过抑制炉体上部3变成高温，能够抑制堆积物的产生。另外，通过在炉体上部3与炉体下部4之间产生温度差，因温度差形成原料气体的流动。
炉体上部3具有顶部31和侧部32。顶部31例如具有第一孔33。第一孔33位于载置台5的与载置面5A对置的上方。
(第一孔)
第一孔33为向沉积空间R内导入原料气体G的原料气体导入部。从第一孔33供给的原料气体G在载置于载置面5A之上的SiC晶片W上发生反应，在SiC晶片W之上形成SiC外延膜。SiC外延晶片是通过在SiC晶片W之上形成SiC外延膜而制造的。原料气体G例如可使用公知的Si系气体和C系气体。
Si系气体例如为硅烷(SiH4)。除此之外，Si系气体也可以为SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4等具有蚀刻作用的包含Cl的氯系含Si原料的气体(氯化物系原料)。另外，Si系气体例如也可以是向硅烷中添加了HCl的气体。
C系气体例如为丙烷(C3H8)。
另外，与供给这些气体的同时，可以供给作为第三气体的吹扫气体。吹扫气体为不包含Si、C的气体，除了HCl等包含H2的具有蚀刻作用的气体之外，也可使用Ar、He等惰性气体(稀有气体)。
控制在SiC晶片W之上层叠的SiC外延膜的导电性时，可以将杂质掺杂气体与原料气体G同时供给。在将导电型设为n型时，杂质掺杂气体例如为N2，在将导电型设为设为p型时，杂质掺杂气体例如为TMA(三甲基铝)。
Si系气体、C系气体、吹扫气体、杂质掺杂气体可以分开供给，也可以混合供给。
从第一孔33向沉积空间R内供给的原料气体G的平均流速(流量/第一孔33的截面积)可以适当地变更，但例如可以为0.001m/s～100m/s。
炉体上部3的侧部32向与顶部31大致正交的方向延伸。侧部32例如为圆筒状。侧部32在下端具备嵌合部320。
(嵌合部)
在嵌合部320，嵌合后述的炉体下部4的突出部420。通过在嵌合部320嵌合突出部420而使炉体上部3与炉体下部4连结，炉体2的内部被封闭。
嵌合部320具有上部321、端部322和吊挂部323。
嵌合部320的上部321相对于侧部32向外周方向突出。上部321例如向与侧部32大致正交的方向延伸。端部322从上部321的一端向下方延伸。吊挂部323例如向与上部321大致正交的方向延伸。因此，嵌合部320为在炉体上部3的内壁32A向外周方向凹陷的部分。
在SiC外延晶片生长时，嵌合部320对因炉体下部4的加热而发生了热膨胀的突出部420进行嵌合。通过嵌合部320A将突出部420嵌合，可抑制供给到炉体2内部的气体向炉体2的外部流出，并且抑制炉体2的外部的气体向炉体2的内部流入。即，即使炉体2分离，也能够控制沉积空间R内的气体的流动，能够制造高品质的SiC外延晶片。
在本实施方式中嵌合部320的结构具有上部321、端部322和吊挂部323，例子中记载了各自大致正交的构成。但是，嵌合部320的结构只要是将突出部420嵌合的结构就不限于此。例如也可以是截面为大致圆形、大致椭圆形、大致三角形等除大致四边形以外的大致多边形这样的结构的一部分。
嵌合部320的个数只要是将突出部420嵌合且使炉体上部3与炉体下部4之间不具有间隙的构成，就可以适当地选择。虽然也取决于嵌合部320的大小，但优选为配置2个以上，更优选为配置3个以上。假设为了在缺少嵌合部320A的情况下也稳定地嵌合，可以在周向的大致相同位置分别配置2个总计6个嵌合部320A等。另外，在嵌合部320配置有多个时，优选为对称配置。另外，嵌合部320在周向整个区域配置在炉体上部3的侧部32的下端时，炉体上部3与炉体下部4之间更不易产生间隙。
如果减少嵌合部320A的个数，炉体下部4的热不易传导到炉体上部3，故优选。
如果炉体2的材料为石墨，则表面粗糙，因此能够抑制嵌合部320A的热传导，故优选。
只要是在制造SiC外延晶片时将突出部420嵌合，炉体上部3稳定地支承炉体下部4的构成，嵌合部320的大小就可以适当地选择。优选减少嵌合部320的大小。例如能够将从端部322的内壁朝向侧部32的外壁32B的延长线作出的垂线的距离设为10mm，更优选为2mm以下，进一步优选为1mm以下。通过减少嵌合部320的大小，能够抑制来自炉体下部4的热传递到炉体上部3。考虑到热传导的抑制和嵌合的方式，可以适当地选择嵌合部320的个数、位置和大小这些炉体上部3与炉体下部4间的接触面积。
炉体下部4具有底部41和侧壁42。在炉体下部4的底部，设置有载置台5。炉体下部4的侧壁42向与底部41大致正交的方向延伸。另外，在侧壁42，具备第二孔43和突出部420。
(第二孔)
第二孔43位于炉体下部4的侧壁42。第二孔43位于炉体下部4中的比载置台5的载置面5A靠下方的位置。第二孔43为将沉积空间R内的气体排出的排气口。第二孔43例如为将经过SiC晶片W之后的未反应气体和吹扫气体等气体排出的排气口。第二孔43可以进行真空抽吸，能够适当地调整炉体2的内部的压力。第二孔23提高炉体2内部的气体流路的对称性，并提高外延膜的面内均匀性，因此也可以在炉体下部4形成多个。
本实施方式的化学气相沉积装置1中，突出部420位于侧壁42的上端。突出部420向与侧壁42大致正交的方向延伸，吊挂于吊挂部323。
另外，为了使SiC外延膜成膜而进行加热时，突出部420发生热膨胀。热膨胀了的突出部420与嵌合部的上部321、端部322以及吊挂部323接触，与嵌合部320嵌合。通过突出部420与嵌合部320嵌合，从而炉体下部4稳定地受炉体上部3支承。
如果突出部420相对于嵌合部320过大，则炉体2有破裂的可能性。另外，如果突出部420相对于嵌合部320过小，则存在在炉体上部3与炉体下部4之间形成间隙、炉体下部4与炉体上部3无法连结的可能性。因此，突出部420的个数、位置和大小根据炉体2的炉垢、嵌合部320的大小而适当地选择，以实现不发生炉体2的破裂、炉体上部3与炉体下部4间连结不良。
如果突出部420嵌合于嵌合部320，则能够抑制炉体2内外的气体流出和流入。如果炉体2内外的气体流出和流入得到抑制，则能够制造沉积空间R内的气体流动得到控制且高品质的SiC外延晶片。
在炉体下部4的四周，配置有加热单元6。如果在炉体下部的四周配置加热单元，则与加热单元配置于炉体上部3相比，能够有效地加热炉体下部4。即，能够将炉体下部4的温度设为高温，抑制炉体上部3的温度的上升。因此，能够减少炉体2的温度升降所耗费的时间。
炉体2的厚度越薄，则能使热导率越低，因此优选为10mm以下，更优选为7.5mm以下，进一步优选为5mm以下。
另外，炉体2的厚度过薄时有可能得不到充分的耐久性，因此优选为0.5mm以上，从加工容易度的观点出发，更优选为2mm以上，从强度的观点出发，进一步优选为3mm以上。
炉体上部3的侧部32的内壁32A与炉体下部4的侧壁42的内壁42A优选大致齐平。“大致齐平”是指内壁32A与内壁42A大致在同一面内扩展。通过使内壁32A与内壁42A大致齐平，能够抑制气体的流动被打乱。即，能够抑制因气体流动被打乱所导致的堆积物向炉体2内部的附着、能够以高生产率制造高品质的SiC外延晶片。
根据本实施方式的SiC化学气相沉积装置1，能够减少从炉体下部4向炉体上部3传导的热量，能够抑制炉体上部3变成高温。
另外，由于炉体上部3与炉体下部4为分离结构，因此即使炉体上部3和炉体下部4中任一者因堆积物的附着等发生劣化而需要更换的情况下，也能够仅更换需要更换的部件。即，能够减少SiC外延晶片的制造所耗费的成本。
另外，由于炉体上部3与炉体下部4嵌合，因此在炉体上部3与炉体下部4之间没有间隙，能够抑制气体在该位置处的流入流出。
应予说明，本实施方式中虽然记载了嵌合部320设置于炉体上部3，突出部420设置于炉体下部的构成，但也可以为嵌合部设置于炉体下部4，且突出部设置于炉体上部的构成。
(第二实施方式)
图2是第二实施方式的SiC化学气相沉积装置1X的剖面示意图。第二实施方式的SiC化学气相沉积装置1X在炉体2X的结构方面与第一实施方式的SiC化学气相沉积装置1不同。其它构成是相同的，标记相同的附图标记，省略说明。
图2所示的化学气相沉积装置1X具有炉体2X和载置台5。炉体2X具有炉体上部3X和炉体下部4X。炉体上部3X具有嵌合部320X。嵌合部320X位于炉体上部3X的侧部32的竖直方向的中部。侧部32相对于嵌合部320X向下方延伸。并且，炉体下部4X具有突出部420X。突出部420X位于炉体下部4X的竖直方向的中部。侧壁42相对于突出部420X向上方延伸。化学气相沉积装置1X在嵌合部320X与突出部420X的位置方面与图1所示的化学气相沉积装置1不同。
炉体下部4X为第一部分的一个例子，炉体上部3X为第二部分的一个例子。
另外，嵌合部320X与突出部420X的位置关系不同，因此炉体下部4X内包于炉体上部3X。炉体下部4X的外壁与炉体上部3X的内壁32A接触。或者，炉体下部4X的外壁位于炉体上部3X的比内壁32A靠内侧的位置。
在为了将SiC外延膜成膜而进行加热时，突出部420X发生热膨胀。热膨胀的突出部420X与嵌合部320X嵌合。通过突出部420X与嵌合部320X嵌合，炉体下部4稳定地受炉体上部3支承。
根据第二实施方式的SiC化学气相沉积装置1X，得到与第一实施方式的SiC化学气相沉积装置1同样的效果。
应予说明，本实施方式虽然记载了嵌合部320X设置于炉体上部3X，突出部420X设置于炉体下部4X的构成，但也可以是嵌合部设置于炉体下部，突出部设置于炉体上部的构成。
(第三实施方式)
图3是第三实施方式的SiC化学气相沉积装置1Y的剖面示意图。第三实施方式的SiC化学气相沉积装置1Y在炉体2Y的结构方面与第一实施方式的SiC化学气相沉积装置1不同。其它构成是相同的，标记相同的附图标记，省略说明。
图3所示的化学气相沉积装置1Y具备炉体2Y和载置台5。炉体2Y具有炉体上部3Y和炉体下部4。炉体上部3Y具备钩部320Y，代替嵌合部320A。钩部320Y位于侧部32的下端。钩部320Y与侧部32大致正交，并吊挂突出部420。钩部320Y与突出部420没有间隙地钩挂，炉体上部3Y与炉体下部4连结。
炉体上部3Y的内径大于炉体下部4的外径。
在为了将SiC外延膜成膜而加热突出部420时，突出部420发生热膨胀。热膨胀的突出部420与钩部320Y密合。通过使突出部420与钩部320Y密合，炉体下部4稳定地受炉体上部3支承。
炉体下部4为第一部分的一个例子，炉体上部3Y为第二部分的一个例子。
根据第三实施方式的SiC化学气相沉积装置1Y，得到与第一实施方式的SiC化学气相沉积装置1同样的效果。
(第四实施方式)
图4是第四实施方式的SiC化学气相沉积装置1Z的剖面示意图。第三实施方式的SiC化学气相沉积装置1Z在炉体2Z的结构上与第一实施方式的SiC化学气相沉积装置1不同。即，炉体2Z在炉体上部3与炉体下部4之间至少具有一个炉体中部7。其它构成是相同的，标记相同的附图标记，省略说明。
图4中，如果将炉体下部4设为第一部分，则炉体中部7为第二部分。如果将炉体中部7设为第一部分，则炉体上部3为第二部分。在具备多个炉体中部的情况下，可以将具有嵌合部的部件作为第二部分，将具有与该嵌合部嵌合的突出的突出部的部件分别作为第一部分，而对它们分别适当地选择。
图4所示的化学气相沉积装置1Z在炉体上部3与炉体下部4之间具备炉体中部7。炉体中部7具有与炉体上部3的所具有的嵌合部320相同构成的嵌合部720、和与炉体下部所具有的突出部420相同构成的突出部721。优选炉体中部7的厚度与炉体上部3和炉体下部4相同，炉体上部3的内壁32A、炉体中部7的内壁72A、炉体下部4的内壁42A为大致齐平。
根据本实施方式的SiC化学气相沉积装置1Z，能够进一步抑制从第一实施方式的炉体下部4向炉体上部3的热传导。
(SiC外延晶片的制造方法)
本实施方式的SiC外延晶片的制造方法可以通过使用上述实施方式的化学气相沉积装置利用公知的方法来制造SiC外延晶片。根据本实施方式的SiC外延晶片的制造方法，能够以低成本提供一种抑制炉体上部3的温度上升，高生产率且高品质的SiC外延晶片。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了详细描述，但本发明并不限于特定的实施方式，在专利保护的范围内记载的本发明的主旨的范围内可以进行各种变形、变更。

Claims (8)

1.一种SiC化学气相沉积装置，具备：
炉体，在内部构成沉积空间；
载置台，位于所述沉积空间的下部，在载置面上载置SiC晶片，
所述炉体在与所述载置台正交的上下方向上被分离为多个部件，
所述多个部件具有拥有主外周面的第一部分和拥有主外周面的第二部分，
所述第一部分具有从所述第一部分的主外周面向外周方向突出的突出部，
所述第二部分具有从所述第二部分的主外周面向外周方向突出并供所述突出部钩挂的钩部，
所述第一部分与所述第二部分通过所述钩部没有间隙地钩挂于所述突出部而连结。
2.根据权利要求1所述的SiC化学气相沉积装置，其中，
所述炉体被分离为炉体上部和炉体下部，
所述第一部分为所述炉体下部，
所述第二部分为所述炉体上部。
3.根据权利要求1所述的SiC化学气相沉积装置，其中，
所述突出部位于所述第一部分的上端，
所述钩部位于所述第二部分的下端。
4.根据权利要求1所述的SiC化学气相沉积装置，其中，
所述钩部为将所述突出部嵌合的嵌合部，
所述嵌合部为在所述炉体上部的内侧面向所述外周方向凹陷的部分。
5.根据权利要求1所述SiC化学气相沉积装置，其中，
所述炉体的厚度为0.5mm～10mm。
6.根据权利要求1所述的SiC化学气相沉积装置，其中，
所述炉体中，所述炉体下部的内壁与所述炉体上部的内壁齐平。
7.根据权利要求1所述的SiC化学气相沉积装置，其中，
在所述炉体下部具备加热单元。
8.一种SiC外延晶片的制造方法，其中，
使用权利要求1所述的SiC化学气相沉积装置。
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