Устройство осаждения слоев из газовой фазы

Устройство осаждения слоев из газовой фазы

Реферат

 

Использование: для термического отжига пластин в различных газовых средах, осаждение диэлектрических слоев и эпитаксиальных слоев кремния в технологии производства полупроводников и микроэлектронике. Сущность изобретения: устройство содержит кварцевый реактор с внешним излучателем и подложкодержателем в виде вертикально установленной воронки с гнездом на верхнем торце для размещения пластин и хвостовиком, состыкованным снизу с корпусом, имеющим патрубок отвода реакционных газов. В хвостовике воронки расположено устройство подачи реакционных газов. Кварцевый реактор дополнительно снабжен средством подачи газа. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам осаждения полупроводниковых слоев из газовой фазы и может быть использовано для термического отжига пластин в различных газовых средах, осаждения диэлектрических слоев (двуокись кремния, нитрид кремния и др.) и эпитаксиальных слоев кремния в технологии производства полупроводников и микроэлектронике.

Для обеспечения высокого качества слоев, осаждаемых из газовой фазы, реактор должен отвечать следующим техническим требованиям: минимальный объем реактора, выполненного предпочтительно из кварца; минимальные конвективные потоки в газовой среде; ориентация пластин рабочей поверхностью вниз; усреднение температурных и газодинамических условий роста, например, за счет вращения; отсутствие контакта стенок реактора с внешней атмосферой.

В разрезе указанных требований практически отсутствуют устройства, полностью их удовлетворяющие.

Известно устройство осаждения слоев из газовой фазы (1) с вертикальным кварцевым реактором и размещением пластины рабочей поверхностью вниз под съемным графитовым подложкодержателем, нагреваемым с помощью токов высокой частоты.

Подача газа осуществляется снизу вверх перпендикулярно пластине, отвод вверху по периферии пластины, что затрудняет настройку газодинамики без использования дополнительных технических средств.

Устройство (1) не оснащено шлюзом, загрузка и выгрузка пластины производится вручную, верхняя часть реактора, через которую отводится реакционный газ, обычно зарастает продуктами реакции.

Недостатками данного устройства является повышенная дефектность слоев из-за зарастания стенок реактора продуктами реакции и их контакта с атмосферой и неоднородность электрофизических параметров слоев из-за отсутствия усреднения условий роста и средств управления газодинамикой.

В связи с общностью основных конструктивных признаков в качестве прототипа предлагаемого изобретения принимается устройство осаждения слоев из газовой фазы (2), содержащее реактор в виде колпака, под которым на специальной подставке размещена обрабатываемая пластина рабочей поверхностью вверх, а под ней излучатель типа галогенных ламп. Над пластиной размещено устройство подачи реакционных газов в виде воронки с газораспределительной насадкой в ее торцовой части, а отвод газа осуществляется через отверстия в корпусе реактора.

Работа устройства (2) при нанесении эпитаксиальных слоев кремния осуществляется в следующей последовательности.

При разгерметизированном реакторе пластину загружают на подставку, далее герметизируют объем и продувают азотом и водородом, после чего включают нагрев. По достижении рабочей температуры пластину травят в хлористом водороде, после чего подают реакционный газ, обеспечивая эпитаксиальное наращивание слоя с требуемыми характеристиками. После отжига пластины в водороде нагрев отключают и после ее остывания реактор продувают азотом, пластину выгружают. Однородность слоя по толщине обеспечивается только за счет конструкции газораспрелительной насадки, однородность по удельному сопротивлению возможностями равномерного нагрева пластины, установленной неподвижно. Дефектность слоя определяется неоднородностью нагрева (линии скольжения), наличием частиц в газовой фазе и на поверхности элементов в зоне роста.

Недостатком устройства (2) является низкое качество осаждаемого слоя по основным параметрам: однородность по толщине низка, а дефектность по светящимся точкам высока, так как между насадкой и пластиной образуются сильные конвективные потоки, которые искажают газодинамику в зазоре насадка-пластина, и способствует осаждению частиц на е поверхности; однородность по удельному сопротивлению низка, а дефектность по линиям скольжения высока, так как сложно обеспечить однородность нагрева неподвижной пластины в условиях развитой конвекции.

Для повышения качества осаждаемого слоя в предлагаемом устройстве подложкодержатель выполнен в виде вертикально установленной воронки с гнездом для размещения пластины рабочей поверхностью вниз на верхнем торце подложкодержателя и хвостовиком, состыкованным снизу с патрубком отвода газа, реактор дополнительно снабжен патрубком подачи газа, а патрубок подачи реакционных газов расположен в хвостовике и выполнен неподвижным, соосным и подобным по форме подложкодержателю с газораспределительной насадкой на верхнем торце патрубка. Для обеспечения оптимальных режимов газодинамики подложкодержатель выполнен в форме конической воронки.

Сопоставительный анализ с прототипом и аналогом показывает, что заявляемое устройство отличается оригинальным выполнением существующих элементов (форма подложкодержателя и размещение патрубка подачи газа, их взаимное расположение относительно пластины), что позволяет получить неожиданный эффект (повышение качества осаждаемых слоев) за счет локализации реакционного объема и оптимизации управления газодинамикой.

На фиг. 1 показано устройство с прямоугольным кварцевым реактором, продольный разрез; на фиг. 2 то же, с кварцевым реактором в виде иллюминатора; на фиг. 3 реактор в сборе со шлюзовой камерой и кассетным устройством, общий вид.

Устройство осаждения слоев из газовой фазы содержит подложкодержатель 1 в виде вертикально установленной воронки с гнездом 2 для размещения пластины 3 рабочей поверхностью 4 вниз на верхнем торце подложкодержателя 1. Нижняя часть подложкодержателя 1 выполнена в виде хвостовика 5, состыкованного с механизмом вращения 6 подложкодержателя 1 и размещенного в корпусе 7 с патрубком 8 отвода реакционного газа. Патрубок 9 подачи реакционного газа установлен в хвостовике 5 соосно с подложкодержателем 1 и выполнен неподвижным и подобным по форме подложкодержателю 1 с газораспределительной насадкой 10, образующей зазор Н относительно пластины 3. Подложкодержатель 1 размещен внутри кварцевого реактора 11, который может иметь различную конфигурацию и источник нагрева пластины 3.

Кварцевый реактор 11, представленный на фиг.1, имеет прямоугольное сечение с камерой 12 для размещения подложкодержателя 1 и фланцем 13, уплотненным крышкой 14 с дополнительным вводом газа 15, обеспечивающей возможность шлюзования и перегрузки пластины 3.

Таким образом, объем реактора 11 разделен на две части: реакционный внутри подложкодержателя, буферный снаружи подложкодежателя, заполненный газом-носителем. Нагрев пластины 3 обеспечивается излучателями 16 типа галогенных ламп, заключенными внутри водоохлаждаемых отражателей 17. Более симметричная и компактная система представлена на фиг.2 и 3. Реактор выполнен разъемным: верхняя часть подвижный кварцевый иллюминатор 18 с мембраной 19 и нижняя часть реактор 20 в форме конической воронки. Обе части реактора состыкованы с перегрузочной камерой 21 и уплотняют реакционный объем с помощью фланцев 22 и прокладки 23. Внутри и соосно реактору 11 размещен подложкодержатель 1 в виде конической воронки с гнездом 2 для размещения пластины 3 рабочей поверхностью 4 вниз, выполненным на верхнем торце подложкодержателя 1. Внутри подложкодержателя 1 закреплен патрубок 9 подачи реакционного газа, выполненный подобным по форме подложкодержателю 1 и снабженный газораспределительной насадкой 10. Подложкодержатель 1 снабжен размещенным в корпусе 24 магнитным приводом вращения 25. Корпус 24 закреплен на хвостовике 20, уплотнен с патрубком 9 подачи реакционного газа и снабжен патрубком 8 отвода газа. Нагрев пластины 3 осуществляется от термической камеры 26, выполненной по форме пластины 3 и содержащей многозонный проволочный нагреватель 27 с футеровкой 28 и термопарами 29 для регулирования и контроля температурного режима. Камера 26 выполнена подвижной и снабжена экраном 30 для отсечки теплового излучения в верхнем положении камеры 26 и кожухом 31 с патрубками 32 подачи и отвода газа для герметизации термической камеры 26 и выравнивания перепада давления на стенке иллюминатора 18. Внутри перегрузочной камеры 21, продуваемой газом через штуцеры 32, размещен манипулятор 33 с механизмом 34 перемещения, выполненный в виде крышки 35 с механическими (или вакуумными) схватками 36. С его помощью обеспечивается уплотнение объема перегрузочной камеры 21 с шлюзом 37 и удерживание пластины 3 в момент транспортировки. С другой стороны шлюз 37 уплотняется подвижным загрузочным столиком 38 с фиксацией пластины 3 вакуумным схватом 39. Перемещение столика 38 и его поворот на 180^о осуществляется пневмоцилиндром 40. Столик 38 состыкован с боксом 41 загрузки и выгрузки пластин 3, содержащим загрузочную и приемные кассеты 42, пневмотранспортный поток 43 и механизм 44 перемещения кассет.

При проведении процесса осаждения слоев из газовой фазы, например эпитаксиального наращивания кремния, устройство работает в следующей последовательности. Исходное состояние: приемная кассета 42 внизу пустая, загрузочная вверху с пластинами 3, в шлюзе 37 и на подложкодержателе 1 нет пластин 3, манипулятор 33 в нижнем положении, термическая камера 26 в верхнем положении в разогретом до рабочей температуры состоянии и закрыта экранами 30, реактор 11 уплотнен. С помощью механизма 44 обеспечивается шаговое перемещение загрузочной кассеты 42 вниз, при этом обеспечивается перемещение пластины 3 по лотку 43 к столику 38, который переносит пластину 3 в шлюз 37 и уплотняет его с обеспечением продува азотом и водородом. В перегрузочную камеру 21 постоянно подается водород, что позволяет с помощью манипулятора 33 перенести пластину 3 в гнездо 2, уплотнить реактор 11 и опустить камеру 26 в рабочее положение, обеспечив быстрый нагрев пластины 3 до рабочей температуры. Через дополнительный ввод 15 обеспечивается постоянная подача водорода в реактор 11, а через патрубок 9 реакционной смеси и осуществляется эпитаксиальное наращивание кремния на рабочую поверхность 4 пластины 3. По завершении роста в патрубки 9 и 15 подается водород, камера 26 поднимается в верхнее положение и закрывается экраном 30, реактор 11 с подложкодержателем 1 и пластиной 3 остывает в водороде до 400-600^оС, после чего иллюминатор 18 поднимается в верхнее положение и манипулятор 33 захватывает пластину 3 и переносит в шлюз 37 с перекладкой на столик 38.

После продувки шлюза 37 азотом пластина 3 перегружается столиком 38 на лоток 43 и далее в приемную кассету 44, после чего работа повторяется в описанной последовательности. Особенностью проведения процесса является разделение объема реактора на две среды: водородную снаружи подложкодержателя 1 с избыточным давлением и реакционную внутри него. Это позволяет свести до минимума автолегирование и предотвратить (при добавлении к водороду хлористого водорода) зарастание обратной стороны пластины, резко сократить реакционный объем, создать в области зазора между пластиной и газораспределительной насадкой (Н) зону с ламинарным течением газа, через которую реагенты транспортируются к поверхности пластины методом термодиффузии, что упрощает решение задачи получения слоев с однородными физическими параметрами. Одновременно с этим исключается зарастание продуктами реакции поверхности иллюминатора 18, что позволяет отказаться от обязательного травления подложкодержателя 1 после каждого эпитаксиального роста для приведения реактора 11 в исходное состояние. На эту же задачу работает рациональная форма подложкодержателя и размещение внутри него газораспределительной насадкой: коническая форма подложкодержателя и близкое расположение насадки позволяют достигнуть оптимального теплового экранирования пластины с повышением равномерности ее нагрева до +(-)3^оС по полю и обеспечением предварительного нагрева смеси. Особенно эффективно выполнение подложкодержателя и насадки из карбида кремния и графита, покрытого карбидом кремния.

В результате отклонение параметров слоев по толщине и удельному сопротивлению не превышает +(-)2-3% по пластине и +(-)1% от процесса к процессу, дефектность по светящимся точкам, дислокациям и дефектам упаковки менее 0,1 см -2, коэффициент заполнения линиями скольжения менее 0,1. Это отвечает современным мировым требованиям и качеству эпитаксиальных слоев кремния, получаемых в реакторах поштучной обработки пластин.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ОСАЖДЕНИЯ СЛОЕВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ, содержащее кварцевый реактор с внешним излучателем и подложкодержателем для размещения обрабатываемой пластины, устройство подачи и патрубок отвода реакционных газов, отличающееся тем, что подложкодержатель выполнен в виде вертикально установленной воронки с гнездом для размещения обрабатываемой пластины, расположенным на верхнем торце подложкодержателя, и хвостовиком, состыкованным снизу с корпусом, имеющим патрубок отвода реакционных газов, кварцевый реактор дополнительно снабжен средством подачи газа, а устройство подачи реакционных газов расположено в хвостовике воронки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство подачи реакционных газов выполнено по форме подложкодержателя, снабжено установленной на верхнем торце газораспределительной насадкой и расположено соосно подложкодержателю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3