Устройство для получения слоев из газовой фазы при пониженном давлении

Устройство для получения слоев из газовой фазы при пониженном давлении

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к осаждению слоев, преимущественно слоев поликристаллического и аморфного кремния, нитрида кремния, фосфоросиликатных и борофосфоросиликатных стекол, пиролизного диоксида кремния, вольфрама, полицида вольфрама при пониженном давлении, и используется в микроэлектронике при производстве ИМС.

Формирование слоев при пониженном давлении [1] в начале 80-х годов позволило уменьшить затраты на обработку пластин, примерно, на порядок. Наряду с экономическим эффектом были улучшены и другие параметры слоев: уменьшена дефектность слоев; улучшена неоднородность толщины слоев в (3-5) раз; достигнута конформность осаждаемых слоев.

Недостатком данных реакторов является присутствие в последних:

а) положительного градиента температуры по ходу газореагентов (в сторону откачки), т.е. отсутствие изотермических условий осаждения; б) отрицательного градиента давления по ходу газореагентов (в сторону откачки), т.е. отсутствие изобарических условий осаждения.

Положительный градиент температуры по ходу газореагентов устанавливается для получения однородной толщины слоев по зоне осаждения. Отрицательный градиент давления по ходу газореагентов получается из-за диссипации энергии движущегося газореагента и сопротивления трубопроводов откачных магистралей. Отсутствие изотермических и изобарических условий осаждения способствуют неоднородности свойств осаждаемых слоев: скорости травления; сопротивления; размера зерен; направления роста зерен и др. Предпринимались попытки устранить недостатки вышеуказанных конструкций реакторов. Был предложен ряд конструкций реакторов пониженного давления [2]: а) тригерные реакторы, в которых в течение процесса осаждения проводилось периодическое переключение газореагентов и откачки с одного конца реактора на другой; б) реакторы с двусторонней откачкой и распределенным вводом газореагентов по трубке, расположенной между внутренней стенкой реактора и пластинами; в)реакторы с односторонней откачкой и распределенным вводом газореагентов по трубке, расположенной между внутренней стенкой реактора и пластинами.

Последние нашли применение в промышленном производстве для осаждения фосфоросиликатных, борофосфоросиликатных стекол и диоксида кремния (SiH₄+O₂, SiH₄+N₂O). Зарастание капиляров трубок приводит к невоспроизводимости толщины слоев по пластине во времени. Большие скорости потока газореагентов, выходящих из капилляров трубок, приводят к радиальному градиенту концентрации и требуют дополнительных мер по рассеканию потока газореагентов, выходящих из капилляров. Этими дополнительными мерами являются лодочки контейнерного типа сложной конструкции, что удоражает процессы обработки пластин (см. патент US 4510177, H01L 21/365, 1985) [3], в котором распределенная подача газореагетов осуществляется между реакторами через перпендикулярные прорези во внутреннем реакторе зоны осаждения.

Недостатком этой конструкции реактора является то, что внутренний реактор не герметизирован относительно внешнего, что требует сложных систем ввода газореагентов. Перпендикулярные прорези снижают стойкость внутреннего реактора. В «Устройстве для получения слоев из газовой фазы», SU 1334781, С 30 25/00, [4] на внутреннем реакторе выполнены продольные прорези, а внутренний реактор герметизирован относительно внешнего реактора, что повышает стойкость внутреннего реактора и снижает сложность ввода газореагентов. Данные устройства обеспечивают равномерную подачу газореагентов в камеру осаждения, что способствует улучшению однородности толщины по пластине. Однако односторонняя откачка камеры осаждения с противоположной стороны подачи газореагентов способствует невоспроизводимости давления по зоне осаждения, что приводит к неоднородности свойств осаждаемых слоев.

В качестве наиболее близкого аналога использовано «Устройство для получения слоев из газовой фазы при пониженном давлении», описанное в заявке RU 2003110215 А, опубл. 20.10.2004 г. [5]. Данное устройство включает камеру осаждения, состоящую из внутреннего реактора в виде горизонтальной трубы с продольными отверстиями, равномерно расположенными в шахматном порядке на ее стенках, установленной коаксиально внешнему реактору в виде горизонтальной трубы, образующему с внутренним реактором камеру подачи газореагентов, снабженную патрубками для ввода газореагентов, откачную систему, снабженную тремя вакуумными затворами, два из которых расположены в откачной системе вакуумного насоса, подсоединенной к концам камеры осаждения через камеры откачки, а третий между ними, симметрично камере осаждения, нагреватель.

Недостатком данного устройства является то, что при двусторонней подаче газореагентов в камеру подачи и двусторонней откачке камеры осаждения происходит обеднение газореагента от центра камеры осаждения в сторону откачки, приводящее к неоднородности толщины осаждаемых слоев, к неоднородности их свойств, в частности к неоднородности скорости травления диэлектрических слоев, сопротивления слоев поликристаллического кремния, вольфрама.

Техническим результатом изобретения является устранение неоднородности толщины и свойств осаждаемых слоев по зоне осаждения, в частности неоднородности скоростей травления диэлектрических слоев, сопротивления слоев поликристаллического кремния, вольфрама и др.

Это достигается устройством, включающим камеру осаждения, состоящую из внутреннего реактора в виде горизонтальной трубы с продольными отверстиями, равномерно расположенными в шахматном порядке на ее стенках, установленной коаксиально внешнему реактору, выполненному в виде горизонтальной трубы, образующему с внутренним реактором камеру подачи газореагентов, снабженную патрубками для ввода газореагентов, откачную систему, снабженную тремя вакуумными затворами, два из которых расположены в откачной системе вакуумного насоса, подсоединенной к концам камеры осаждения через камеры откачки, а третий затвор размещен между ними симметрично камере осаждения, и нагреватель, при этом камера подачи газореагентов снабжена дополнительным патрубком, выполненным в виде вакуумированной кварцевой трубки, введенной до середины камеры подачи газореагентов, при этом выходное отверстие дополнительного патрубка расположено между продольными отверстиями внутреннего реактора. Подача газореагента через дополнительный патрубок в середину зоны осаждения предотвращает обеднение его в сторону откачки, а расположение выходного отверстия дополнительного патрубка между продольными отверстиями предотвращает неоднородность толщины слоев по пластине.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является наличие дополнительного ввода в виде вакуумированной кварцевой трубки для подачи газореагентов в камеру подачи, введенной до ее середины и расположенной между продольными отверстиями внутреннего реактора. Изотермические условия осаждения (отсутствие градиента температуры в камере осаждения) обеспечиваются подачей реагентов с двух сторон и в середину камеры подачи, что предотвращает обеднение реагентов в камере осаждения, а также подача газореагентов в середину камеры откачки с двусторонней (симметричной) откачкой камеры осаждения обеспечивает изобарические условия осаждения (отсутствие градиента давления).

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу и достичь неоднородности толщины осаждаемых слоев по зоне осаждения ±3% по сравнению с прототипом ±(5-7)%, неоднородности свойств осаждаемых слоев, например неоднородности сопротивления слоев поликристаллического кремния и полицида вольфрама±(5-8)% по сравнению с прототипом ±(10-15)%.

Изобретение поясняется фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 представлен разрез устройства, сделанный параллельно потоку газореагентов в камере осаждения, для получения слоев из газовой фазы.

Устройство включает камеру подачи газореагентов 32, образованную внутренним реактором 23, являющуюся горизонтальной кварцевой трубой с продольными отверстиями 24, и внешним реактором 10, являющимся горизонтальной кварцевой трубой. Во внутреннем реакторе 23 находится камера осаждения 25, где расположены обрабатываемые пластины 9. Внутренний реактор 23 коаксиально установлен внешнему реактору 10. Реакторы 10 и 23 герметизированы от атмосферы с помощью уплотняющих стаканов 2, 26, уплотнительных колец 5. Пространство между торцами реактора 23, вакуумной заслонкой 1 и уплотняющей крышкой 36 образует камеры откачки 13 и 13а, к которым подсоединены откачные трубопроводы 30, 31 и 15а, соединенные с вакуумным насосом 15. Откачные трубопроводы снабжены затворами 14, 14а, 14б и дроссельной заслонкой 11. Камера подачи 32 снабжена патрубками 28, 29 и кварцевой трубкой 34 для подачи в нее газореагентов. Из камеры подачи 32 газовая смесь поступает в камеру осаждения через отверстия 24, выполненные в виде продольных прорезей, равномерно расположенных в стенках реактора 23 под углом 60° в шахматном порядке. Симметричная откачка внутреннего реактора 23 (камеры осаждения) и внешнего реактора 10 (камеры подачи) обеспечивает изобарические условия осаждения слоев в камере осаждения и осуществляется с двух ее сторон откачной системой вакуумного насоса, состоящей из откачных трубопроводов 30 и 31, снабженных вакуумными затворами 14а и 14, соответственно, откачные трубопроводы подсоединены к камерам откачки 13а и 13, соответственно, и откачного трубопровода 15а с дроссельной заслонкой 11 и вакуумным затвором 14б. Откачной трубопровод 15а соединен с трубопроводами 30 и 31 по центру камеры осаждения и вакуумным насосом 15. Двусторонняя откачка камеры осаждения и подача газореагентов в середину камеры подачи, а также расположение откачного трубопровода 15а с вакуумным затвором 14б по центру камеры осаждения обеспечивает изобарические условия осаждения слоев в камере осаждения, т.е. отсутствие в ней градиента давления. Откачка производится при открытых затворах 14, 14а и 14б. Давление в камере осаждения регулируется дроссельной заслонкой 11. Снаружи внешнего реактора 10 размещен нагревательный элемент 8. Магистраль 4, состоящая из клапана 6 и фильтра 7, служит для выравнивания давления в реакторе с атмосферным. Магистраль 12 служит для предварительной медленной откачки реактора (камеры откачки и камеры осаждения), 20 - подача газореагентов через патрубки 28, 29, 33, 34, 35 в камеру подачи газореагентов 23, 21 - подача инертного газа в реактор через патрубки 27, 29 для продувки, 37 - клапан подачи газореагента, 38 - регулятор расхода газореагента. Откачиваемые газы из камеры осаждения насосом 15 попадают в скруббер 17, снабженный вентеляцией 16, подачей воды 18 и азота 19 для нейтрализации отработанных газов.

На фиг.2 представлен разрез устройства, сделанный перпендикулярно потоку газореагентов в камере осаждения для получения слоев из газовой фазы, где: 10 - внешний реактор; 25 - камера осаждения; 23 - внутренний реактор с продольными прорезями 24, между которыми в середине камеры подачи 32 расположен выход дополнительного патрубка 34. Данное расположение выхода газореагентов из дополнительного патрубка способствует рассеканию потока газореагентов, что способствует улучшению однородности толщины получаемых слоев по пластинам и препятствует локальному увеличению давления между пластинами.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Реактор находится в нагретом состоянии. В зону осаждения загружают обрабатываемые пластины 9, закрывают вакуумную заслонку 1 и после предварительной медленной откачки реактора (камеры откачки и камеры осаждения) через магистраль 12 открывают вакуумные затворы 14, 14а, 14б, откачивают реактор (камеру откачки и камеру осаждения) до предельного вакуума. Подают газореагенты в камеру подачи через патрубки 28, 29, 33, 34, 35. Из камеры подачи газореагенты поступают в камеру осаждения 25 через продольные прорези 24. После осаждения слоя на пластинах 9 реактор продувают инертным газом (камеру откачки и камеру осаждения), закрывают вакуумные затворы 14, 14а, 14б и наполняют последний инертным газом до атмосферного давления, соединяют реактор через магистраль 4 с атмосферой, после чего открывают вакуумную заслонку 1 и выгружают пластины 9 из реактора 23.

Источники информации

1. Технология СБИС. Под. ред. С.Зи, книга 1. Москва, «Мир», 1986, с.129-130.

2. Васильев В.Ю., Сухов М.С. Аппаратура и методика осаждения слоев при пониженном давлении. Обзоры по электронной технике, Сер.7. Технология, организация производства и оборудование, вып.4 (108), часть 2, 1985, с.33-37.

3. US 4510177, H01L 21/365, 1985.

4. SU 1334781, С30В 25/00, БИ №2, 2001.

5. Заявка RU 2003110215 А, опубл. 20.10.2004 г. - прототип.

Устройство для получения слоев из газовой фазы при пониженном давлении, включающее камеру осаждения, состоящую из внутреннего реактора в виде горизонтальной трубы с продольными отверстиями, равномерно расположенными в шахматном порядке на ее стенках, установленной коаксиально внешнему реактору, выполненному в виде горизонтальной трубы, образующему с внутренним реакторам камеру подачи газореагентов, снабженную патрубками для ввода газореагентов, откачную систему, снабженную тремя вакуумными затворами, два из которых расположены в откачной системе вакуумного насоса, подсоединенной к концам камеры осаждения через камеры откачки, а третий затвор размещен между ними симметрично камере осаждения, и нагреватель, отличающееся тем, что камера подачи газореагентов снабжена дополнительным патрубком, выполненным в виде вакуумированной кварцевой трубки, введенной до середины камеры подачи газореагентов, при этом выходное отверстие дополнительного патрубка расположено между продольными отверстиями внутреннего реактора.