Brevet FR2655773A1 — publié le 19910614

La présente invention concerne un dispositif support des tranches de matériaux semiconducteurs dans un réacteur vertical d'épitaxie en phase gazeuse. Ce dispositif, qui comprend le support lui-même des tranches, appelé suscepteur, ainsi qu'un déflecteur, permet d'obtenir des couches épitaxiées de très grande pureté et de très bonne homogènéité sur toutes les parties d'une tranche semiconductrice. Un réacteur d'épitaxie en phase gazeuse est essentiellement constitué d'un tube de quartz, d'un diamètre compris actuellement entre 100 et 300 mm, à l'intérieur duquel est introduit un suscepteur, bloc de graphite polygonal dont les faces sont gravées d'empreintes qui supportent les tranches de matériau, le plus souvent du silicium, sur lesquelles doivent être déposées une ou plusieurs couches épitaxiées. Les produits à épitaxier sont apportés sous forme gazeuse, par exemple du silane SiH4, et pyrolysés à hauteur du suscepteur, par un chauffage adéquat. La qualité des couches épitaxiées dépend, parmi d'autres paramètres, de la linéarité du flux gazeux qui lèche les tranches, dans le double sens de linéarité en concentration et d'absence de tourbillons gazeux : on recherche donc un flux laminaire. Mais d'une part les suscepteurs connus ont une face supérieure plane, qui n'est pas aérodynamique, et crée des turbulences, d'autre part les faces du suscepteur sont très peu inclinées par rapport à la paroi du tube du réacteur, ce qui n'apporte aucune compensation de l'appauvrissement du gaz réactif, au fur et à mesure que les produits solides se déposent. Le dispositif selon l'invention apporte une solution à ces deux problèmes. D'une part, le suscepteur est coiffé par un déflecteur en quartz, de forme pyramidale, dont les faces sont dans le prolongement des faces du suscepteur, obligeant les gaz à s'écouler selon un flux laminaire. D'autre part, les faces latérales du suscepteur sont inclinées d'un angle égal à 150 + 50 par rapport à l'axe de rotation du suscepteur ou, ce qui revient au même, par rapport à une génératrice du tube du réacteur : ceci apporte un gradient de concentration moléculaire des gaz lorsqu'ils circulent le long des faces du suscepteur. Le déflecteur est amovible, ce qui permet de recouvrir les surfaces internes et externes du suscepteur d'une couche de matériau semiconducteur intrinsèque, avant iropération d'épitaxie. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif support de tranches de matériau semiconducteur, pour l'épitaxie en phase gazeuse dans un réacteur vertical comprenant notamment un tube de quartz balayé de haut en bas par un flux gazeux, et un suscepteur de section polygonale, marqué d'empreintes dans lesquelles sont déposées les tranches à épitaxier, ce dispositif étant caractérisé en ce que, afin d'obtenir un écoulement laminaire du flux gazeux le long des tranches, le suscepteur est surmonté par un déflecteur de forme aérodynamique, de section polygonale, dont les faces correspondent et sont dans le même plan que les faces du suscepteur. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit maintenant d'un exemple de réalisation, en liaison avec les figures jointes qui représentent - figure 1 : vue en coupe, simplifiée, d'un réacteur vertical d'épitaxie en phase gazeuse, selon l'art connu, - figure 2 : vue en coupe, simplifiée, d'un réacteur vertical d'épitaxie, selon l'invention, - figure 3 : vue en coupe du dispositif support selon l'invention. Les motivations et les avantages du dispositif selon l'invention ressortiront mieux par la comparaison avec un dispositif selon l'art connu, tel que représenté en figure 1. Un bâti, ou réacteur, vertical d'épitaxie en phase gazeuse est essentiellement constitué par un tube de quartz 1, qui repose sur une embase 2 par laquelle les gaz sont aspirés ou non, pour maintenir soit un vide partiel soit la pression atmosphérique. Les tranches 3 de silicium, soutenues par un suscepteur 4, sont introduites dans le tube 1 par son extrêmité inférieure, et positionnées dans la zone de dépôt chauffée par exemple par un enroulement 5, en radiofréquences. Le matériau à épitaxier est apporté sous forme de gaz, par l'extrêmîté supérieure du tube 1, au moyen d'un injecteur 6 muni par exemple de plateaux 7 en quartz qui font office de déflecteurs. Parvenu dans la région chaude 8000 - 1 2000 C - le gaz se pyrolyse, et un dépôt solide se forme sur les tranches de silicium 3, mais aussi sur le suscepteur 4 et sur le tube 1. L'écoulement du flux gazeux est réglé au mieux en montant ou descendant l'injecteur 6, pour que le flux gazeux soit laminaire le long de la paroi du tube 1, et des faces latérales 8 du suscepteur 4. Mais la face supérieure 9 du suscepteur est un plateau, qui forme des angles vifs avec les faces latérales 8, ce qui crée des tourbillons gazeux en 10, parce que le suscepteur n'est pas aérodynamique. Un écoulement tourbillonnant donne des dépôts épitaxiés moins réguliers qu'un écoulement laminaire. Mais en outre, les gaz s'appauvrissent en matière thermodynamique déposable au fur et à mesure qu'ils s'écoulent le long des tranches 3 : le faible angle de 2 à 30 que forment les tranches 3 avec la paroi du tube 1 n'est pas toujours suffisant pour compenser cet appauvrissement de la phase gazeuse. Ces inconvénients sont éliminés par le dispositif selon l'invention, qui est représenté en figure 2, et agrandi en figure 3. L'ensemble du réacteur d'épitaxie est identique à ceux de l'art antérieur, à l'exception du conduit 11 d'introduction des gaz, qui est un simple tube et ne comporte plus d'injecteur coulissant 6 et de déflecteur 7. Mais, selon l'invention, le déflecteur est déposé directement sur le suscepteur, sous forme d'une pièce aérodynamique 12. Ce déflecteur 12 est en quartz, ou matériau analogue résistant à la température qui règne dans le réacteur d'épitaxie, et facile à nettoyer après une opération d'épitaxie. Il est constitué de lames triangulaires 13 de quartz, soudées : il a ainsi une forme pyramidale, aérodynamique, dont la base est polygonale et s'adapte parfaitement sur le suscepteur 14, qui est lui aussi polygonal. En l'état actuel de la technologie, le déflecteur 12 a une section au moins hexagonale, car on verra plus loin que les formes ayant moins de 6 faces ne sont pas optimisées pour les suscepteurs. Cependant, le déflecteur 12 n'est pas nécessairement une pyramide complète. Les lois de l'aérodynamisme permettent de n'avoir, comme représenté en pointillé sur les figures, qu'un tronc de pyramide coiffé par une ogive 15, dont la forme permet un écoulement laminaire des gaz. Le déflecteur 12 comprend à sa base une couronne de centrage 16, en quartz, fixée sur les faces 13 par des pontets de quartz 17. Cette couronne de centrage s'ajuste dans un orifice 18, de même diamètre, pratiqué dans la face supérieure du suscepteur 14. Le suscepteur 14 est un bloc de graphite ultra-pur en forme de tronc de pyramide à base polygonale. Le nombre de faces 13 du déflecteur 12 est égal au nombre de faces du suscepteur 14, qui dépend de l'état de la technologie : diamètre des tranches 3 de silicium, diamètre du tube de quartz 1. Afin d'assurer un écoulement laminaire parfait des gaz, les faces du suscepteur et les faces du déflecteur sont chacunes dans le prolongement l'une de l'autre. L'ensemble suscepteur et déflecteur forme donc une pyramide, dont les faces sont inclinées d'un angle Oc par rapport à l'axe commun de rotation ou de symétrie, ou, ce qui revient au même, par rapport à une génératrice du cylindre de tube 1. L'expérience a montré qu'un angle os = 150 + 50 donne les meilleurs résultats, et les veines gazeuses 19 s'écoulent en flux laminaire le long du déflecteur 12 et du suscepteur 14. Cet angle de 150 a un autre intérêt. Les gaz s'appauvrissent en matière thermodynamiquement déposable lorsqu'ils descendent dans le tube 1, depuis le haut de la zone de pyrolyse -niveau 20- jusqu'en bas de la zone de pyrolyse -niveau 21 -. Il y a donc diminution de la concentration en produit actif dans le gaz vecteur la diminution de section compris entre une face du suscepteur 14 et la paroi du tube 1, depuis le niveau haut 20 vers le niveau bas 21, entraîne une augmentation de concentration des molécules de gaz actif. De ce fait, la couche épitaxiée est plus régulière, et a même épaisseur en haut et en bas des tranches 3. Le suscepteur 14 est un bloc de graphite ultra pur, creux, limité intérieurement par une paroi, et dont les angles à la base sont repris au tour et arrondis en 23, de façon que l'épaisseur moyenne du graphite soit compatible avec l'épaisseur de peau pour la fréquence de chauffage utilisée. Ce bloc de graphite est recouvert, à l'extérieur et à l'intérieur, d'un film mince -100 à 200 microns- et continu de carbure de silicium. Chaque dépôt épitaxié sur les tranches 3 est précédé d'une phase de décapage et d'enrobage du suscepteur. Le déflecteur 12 étant ôté, et les tranches 3 pas encore remises en place dans leurs empreintes, le suscepteur est enrobé, à l'extérieur et à l'intérieur, d'un film épais de plusieurs microns de matériau semiconducteur polycristallin intrinsèque, non dopé : du silicium si les tranches 3 doivent recevoir une couche de silicium. Ce dépôt renforce l'effet d'encapsulation du graphite déjà réalisé par le carbure de silicium. La résistivité des dépôts de silicium peut être supérieure à 5000 ohm/cm, ce qui 12 3 correspond à un niveau de dopage de 1012 atomes/cm3. Puis les tranches 3 et le déflecteur 12 sont mis en place, et l'opération d'épitaxie est poursuivie. En début de croissance, il y a formation d'un dépôt amorphe pulvérulent sur le déflecteur. Selon que le déflecteur est nettoyé ou ne l'est pas avant chaque opération d'épitaxie, ce dépôt pulvérulent peut produire un effet de piègeage pour la suite de la croissance de la couche épitaxiée. L'ensemble du suscepteur 14 et du déflecteur 12, conçus pour obtenir un flux gazeux laminaire et tangentiel aux tranches 3, avec un angle de 150 + 56 par rapport à l'axe de rotation, conduit à d'excellents résultats d'homogénéité en épaisseur et en résistivité des couches épitaxiées. Par exemple, dans le cas de dépôts épitaxié, de silicium, la dispersion en épaisseur est inférieure à + 2 % par plaque de diamètre 2" pour l'ensemble des plaques d'un lot (6), et de l'ordre de + 3 % par plaque de diamètre 3". La dispersion en résistivité est inférieure à + 5 9s dans les deux cas. L'invention, qui a été exposée sur le cas de tranches de silicium, est applicable à tous les dépôts épitaxiés en phase vapeur de matériaux semiconducteurs, sur des diamètres que seule limite actuellement la technologie d'obtention des lingots dont sont tirées les tranches à épitaxier. REVENDICATIONS 1 - Dispositif support de tranches de matériau semiconducteur, pour l'épitaxie en phase gazeuse dans un réacteur vertical comprenant notamment un tube de quartz (1) balayé de haut en bas par un flux gazeux, et un suscepteur (14) de section polygonale, marqué d'empreintes dans lesquelles sont déposées les tranches (3) à épitaxier, ce dispositif étant caractérisé en ce que, afin d'obtenir un écoulement laminaire du flux gazeux (19) le long des tranches (3), le suscepteur (14) est surmonté par un déflecteur (12) de forme aérodynamique, de section polygonale, dont les faces (13) correspondent et sont dans le même plan que les faces du suscepteur (14). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le - déflecteur (12) est une pyramide à base polygonale. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur (12) est un tronc de pyramide coiffé par une ogive (15) de forme aérodynamique. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur (12) est en quartz. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur (12) comporte à sa base une couronne de centrage (16), en quartz, centrée par des pontets (17) en quartz, ladite couronne (16) s'ajustant dans un orifice (18) de la face supérieure du suscepteur (14). 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le suscepteur (14) est un bloc polygonal de graphite ultra pur, creux, dont l'épaisseur moyenne est proche de l'épaisseur de peau, pour la fréquence radioélectrique utilisée pour le chauffage du réacteur d'épitaxie. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les angles saillants, à la base du suscepteur (14), sont usinés (en 23) pour ramener l'épaisseur locale du suscepteur (14) au voisinage de l'épaisseur de peau à la fréquence de chauffage. 8 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le suscepteur (14) est encapsulé dans un film de carbure de silicium. 9 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces du suscepteur (14) et du déflecteur (12) font avec l'axe de symétrie un angle de 15 + 50.