УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР
APPARATUS AND METHOD FOR COOLING EPITAXIAL STRUCTURES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к технологии полупроводников, в частности, к устройствам и способам для получения эпитаксиальных структур, в том числе гетероэпитаксиальных структур.
Уровень техники
Из патента US5416043 известно устройство для получения эпитаксиальных структур, содержащее основание, на которое устанавливается кольцевая прокладка, поверх которой размещается эпитаксиальная структура, в частности, структура кремния на сапфире. Между структурой кремния на сапфире и основанием образуется полость, в которую через отверстия в основании подается и выводится охлаждающий газ.
Недостатком такого устройства является недостаточное и неравномерное охлаждение структуры кремния на сапфире, в результате чего получаемая эпитаксиальная структура имеет недостаточно высокое и неравномерное структурное совершенство – повышенную плотность структурных дефектов (двойников, дислокаций и т.п.). Неоднородное распределение структурного совершенства приводит при утонении к неоднородному распределению толщины слоя кремния и неоднородному распределению величины подвижности электронов в слое кремния – то есть, получаемая в результате обработки структура имеет недостаточное качество.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является улучшение качества получаемых эпитаксиальных структур.
Задача настоящего изобретения решается с помощью устройства для охлаждения эпитаксиальных структур, которое включает в себя основание, снабженное полостью, отверстиями и местом для размещения прокладки, имеющей замкнутый контур. Отверстия в основании выполнены с обеспечением возможности подачи газа с одной стороны основания на другую сторону. Выходы отверстий на ту сторону основания, на которой предусмотрено место для размещения прокладки, расположены внутри замкнутого контура, образуемого местом для размещения прокладки. Полость имеет отверстия для подачи и вывода газа и/или жидкости и является протяженной в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
В предпочтительном варианте отверстия полости для подачи и вывода газа или жидкости соединены с каналами подачи и вывода газа и/или жидкости. Отверстия в основании преимущественно также соединены с каналами подачи и вывода газа. Каналы могут быть снабжены вентилями. Канал подачи газа в полость может быть снабжен нагревателем. Отверстие подачи газа и/или жидкости в полость предпочтительно размещено под центральной областью полости. Канал подачи газа и/или жидкости в полость предпочтительно выполнен с возможностью подачи газообразного или жидкого азота, а канал подачи газа в отверстие преимущественно выполнен с возможностью подачи гелия или водорода. Основание также может содержать крепежные элементы для закрепления прижимного элемента. Площадь полости предпочтительно составляет не менее 50% или 60% или 70% или 80% или 90% или 95% или 98% или 99% или 100% от площади, охватываемой контуром места для размещения прокладки. Толщины стенок полости преимущественно не различаются или различаются не более чем на 5% или 10% или 15% или 20% или 30% или 40% или 50%.
Задача настоящего изобретения решается с помощью способа для охлаждения эпитаксиальных структур, в котором используется устройство по любому из вышеописанных вариантов. Способ включает в себя следующие шаги. На устройство укладывают прокладку, на которую затем укладывают эпитаксиальную структуру с образованием контактной полости между эпитаксиальной структурой, основанием и прокладкой, которую затем прижимают с помощью прижимного элемента. Устройство с эпитаксиальной структурой помещают в установку ионной имплантации, из которой откачивают воздух. Из контактной полости между эпитаксиальной структурой, основанием и прокладкой откачивают воздух (предпочтительно одновременно с откачкой воздуха из установки ионной имплантации) и затем напускают в нее контактный газ. В полость подают охлаждающий газ или жидкость и охлаждают эпитаксиальную структуру. Далее проводят имплантацию ионов в эпитаксиальную структуру. После окончания имплантации ионов в полость устройства могут подать нагретый газ.
0
Благодаря настоящему изобретению достигается такой технический результат, как повышение качества эпитаксиальных структур, получаемых с помощью представленных устройства и способа. В частности, технический результат обеспечивается получением эпитаксиальных структур с ультратонкими слоями, нанесенными на подложку, за счет обеспечения охлаждения до более низких температур, чем в уровне техники, за счет обеспечения охлаждения на большей площади эпитаксиальной структуры, чем в уровне техники, и за счет более равномерного охлаждения структуры, чем в уровне техники, ввиду плоской полости, через которую пропускают охлаждающий газ, и контактной полости, ограничиваемой эпитаксиальной структурой, основанием и прокладкой и содержащей контактный газ, выполняющий роль «газовой подушки» и равномерно отводящий тепло от эпитаксиальной структуры по всей ее площади с понижением температуры до требуемой величины (в частности, до температуры менее 0С). Технический результат в виде повышения качества эпитаксиальных структур также обеспечивается получением чистых эпитаксиальных структур, загрязнение которых и необходимость последующей очистки, которая неизбежно снижает качество получаемого изделия, предотвращается нагревом эпитаксиальной структуры после окончания имплантации ионов благодаря подачи в полость устройства нагретого газа.
Краткое описание чертежей
На чертеже показан разрез устройства для охлаждения эпитаксиальных структур в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Далее изобретение будет поясняться со ссылкой на чертеж, где представлен пример возможной реализации настоящего изобретения в виде устройства для охлаждения эпитаксиальных структур, в том числе гетероэпитаксиальных структур, в частности, таких как структуры кремния на сапфире (КНС). Последующее описание и чертеж не предназначены для ограничения объема охраны, который определяется формулой изобретения, а даны с целью упрощения понимания сущности изобретения и возможных вариантов его осуществления, которые не исчерпываются представленными на чертеже и в описании.
Описание изобретение дано для устройства, используемого в ориентации, показанной на чертеже, в соответствии с которой подача и отвод газов осуществляется снизу, а эпитаксиальная структура располагается сверху, причем имплантация ионов также осуществляется сверху. Однако такое расположение не ограничивает объем охраны изобретения и дано лишь в целях упрощения пояснения. В общем случае, определяемом формулой изобретения, ориентация устройства не является однозначно заданной и может меняться при условии обеспечения технической возможности проведения имплантации ионов. В соответствии с изменением ориентации устройства изменяется и расположение его частей относительно верха, низа и различных сторон.
В соответствии с чертежом, устройство для охлаждения эпитаксиальных структур содержит основание 3, в котором выполнены полость 11 и отверстия 19. На основании сверху предусмотрено местом для размещения прокладки 4, которая может быть выполнена, например, из резины и иметь замкнутый контур, например, в виде кольца, квадратной рамки или любой другой.
Прокладка 4 укладывается на верхнюю поверхность основания 3, а на прокладку 4 укладывается эпитаксиальная структура 1, предназначенная для обработки, основанием на прокладку, а нанесенным на основание тонким слоем вверх, в ту сторону, откуда будет поступать поток 9 ионов. Благодаря наложению эпитаксиальной структуры 1 на прокладку 4, размещенную на основании 3, между основанием 3, прокладкой 4 и структурой 1 образуется контактная полость 10, в которую ведут отверстия 19 и в которой газ контактирует со структурой 1.
Эпитаксиальную структуру 1 необходимо прижимать к прокладке 4, поскольку в установке ионной имплантации в рабочем режиме давление ниже, чем давление контактного газа в полости 10, и без прижатия контактный газ выйдет из полости 10. Прижатие структуры может осуществляться прижимным кольцом или любым другим элементом, обеспечивающим необходимое усилие прижатия. Это усилие прижатия может обеспечиваться за счет собственного веса прижимного элемента, или же основание 3 устройства для получения эпитаксиальных устройств может быть снабжено крепежными элементами для закрепления прижимного элемента. В частности, на чертеже показаны дополнительные отверстия в основании 3 и прижимном кольце 2, через которые могут пропущены винты, болты или другие стержневые элементы, закрепляющие с помощью резьбового, зажимного или другого вида крепления прижимное кольцо 2 на основании 3 и обеспечивающие необходимую степень прижатия эпитаксиальной структуры 1 к прокладке 4.
Отверстия 19 в основании 3 выполнены с обеспечением возможности подачи газа с одной стороны основания 3 на другую сторону. То есть, газ через отверстие 19 может быть подан снизу от основания 3, например, из канала 12, с которым соединено одно из отверстий 19, наверх от основания 3, в частности, в полость 10. Газ через другое отверстие 19 также может быть перекачан сверху от основания 3, в область внизу от основания 3, например, в канал 13, с которым соединено это отверстие 19 – то есть так контактный газ, например, гелий или водород, может быть выведен из контактной полости 10. Применение в качестве контактного газа гелия или водорода обеспечивает более эффективное и равномерное охлаждение эпитаксиальной структуры 1, поскольку они обладают более высокой теплопроводностью по сравнению с воздухом и азотом (примерно в 8 раз) и, следовательно, лучше передают тепло и перераспределяют его по объему полости 10 и поверхности эпитаксиальной структуры 1.
Для обеспечения возможности подачи и вывода газа в/из полости 10, отверстия 19 должны выходить в полость 10. Для этого отверстия 19 должны иметь выходы на ту сторону основания 3, на которой предусмотрено место для размещения прокладки и с которой устанавливается прокладка 4 (то есть на сторону основания 3, обращенную к структуре 1), внутри замкнутого контура на поверхности основания 3, образуемого местом для размещения прокладки 4.
-6
Контур, образуемый местом для размещения прокладки 4, является замкнутым потому, что контур прокладки 4 сам по себе является замкнутым, а прокладка 4 должна прилегать к основанию 3, а также к структуре 1, на всей своей длине для предотвращения утечки газа из полости 10 в объем установки для ионной имплантации, в которой откачивается газ до значительной степени вакуума (например, до давления ~ 5.10 мм.рт.ст).
Полость 11, выполненная в основании 3, предпочтительно является плоской. Точнее говоря, преимущественно плоской является поверхность основания 3, которая отделяет полость 11 от полости 10, формируемой основанием 3, эпитаксиальной структурой 1 и прокладкой 4. Полость 11, также как и поверхность основания 3, разделяющая полость 11 и полость 10, является протяженной в двух взаимно перпендикулярных в направлениях. Это обеспечивает большую площадь полости 11, которая соответствует площади полости 10 и обрабатываемой площади эпитаксиальной структуры 1, что позволяет получить повышенное качество изделие на всей площади, доступной для ионной имплантации, поскольку по всей этой площади будет обеспечиваться равномерное и эффективное охлаждение структуры 1 до требуемой температуры.
Стенки полости 11 основания 3 преимущественно имеют толщину от 0,5 до 2,5 мм, предпочтительно от 1,5 до 2 мм. Нижний предел толщины стенок обеспечивает достаточную механическую прочность стенок полости, необходимую для обеспечения функционирования устройства и предотвращения повреждения эпитаксиальной структуры 1, поскольку при меньшей толщине их механическая прочность будет недостаточной и они будут выгнуты наружу вследствие значительной разности давления между полостью и окружающим объемом (в полости давление газа или жидкости может достигать 0,5 атмосфер или более, а в рабочем объеме установки имплантации, в которую помещают устройство в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивается высокая степень вакуума).
Верхний предел толщины стенок не должен быть превышен для обеспечения необходимой эффективности теплопередачи и, следовательно, охлаждения контактного газа, поскольку при большей толщине стенок теплопередача излишне снижается и достижение требуемой для имплантации температуры эпитаксиальной структуры 1 становится невозможным.
Верхняя и нижняя стенки полости 11 предпочтительно имеют одинаковую толщину, что обеспечивает возможность более точного контроля температуры контактного газа без необходимости доступа в контактную полость 10, поскольку стенки одинаковой толщины будут иметь одинаковую температуру на внешних поверхностях. Это также обеспечивает улучшение качества получаемой в результате имплантации эпитаксиальных структур, поскольку позволяет точно контролировать температуру газа в полости 10 и, следовательно, структуры 1, без размещения температурного датчика в полости 10, что привело бы к загрязнению контактного газа и, следовательно, эпитаксиальной структуры 1. Для этого толщины стенок полости 11 предпочтительно различаются не более чем на 5% или 10% или 15% или 20% или 30% или 40% или 50% - чем меньше различие, тем точнее результаты измерения.
Полость 11 имеет отверстия для подачи и вывода газа и/или жидкости, предпочтительно в нижней стенке. Эти отверстия соединены с каналами подачи и вывода газа и/или жидкости. В частности, через канал 16 в полость 11 может быть подан охлаждающий или нагревающий газ, например, азот, или охлаждающая или нагревающая жидкость, например, жидкий азот или другая жидкость, например, антифриз. В отверстия в полости может подаваться только газ, или только жидкость, или и то и другой (преимущественно попеременно). Протекающий по полости 11 охлаждающий газ или жидкость будет охлаждать стенку основания 3 между полостями 11 и 10, которая в свою очередь будет охлаждать контактный газ, который находится в полости 10. По мере охлаждения контактный газ будет равномерно охлаждать эпитаксиальную структуру 1 до требуемой температуры, что повысит качество обработанного изделия, позволяя получить эпитаксиальную структуру с ультратонким слоем покрытия по всей площади структуры.
Равномерность охлаждения обеспечивается тем, что, во-первых, охлаждающий газ или жидкость распределяется по всей площади полости 11 в основании, протяженной в двух направлениях в горизонтальной плоскости (в соответствии с чертежом), и охлаждает всю стенку между полостями; во-вторых, поскольку основание преимущественно выполнено с использованием металла, например, нержавеющей стали, то остаточная неравномерность температуры по поверхности стенки между полостями устраняется быстрым и эффективным тепловым переносом внутри металла; и в-третьих, контактный газ в полости 10 между основанием 3 и эпитаксиальной структурой 1 выполняет роль «газовой подушки», перераспределяя любые остаточные неравномерности температуры в объеме газа до того, как газ начнет теплообменные процессы с эпитаксиальной структурой, с которой он контактирует, причем применение в качестве контактного газа гелия или водорода дополнительно повышает эффективность и равномерность теплопередачи (а значит и охлаждения) ввиду их повышенной теплопроводности. Снижение температуры до требуемого уровня обеспечивается непрерывным и эффективным охлаждением основания 3 с помощью охлаждающего газа или жидкости в полости 11 основания 3. Совокупность элементов устройства обеспечивает одновременно как эффективное охлаждение эпитаксиальной структуры до заданной температуры (менее 0°С), так и равномерность охлаждения, что обеспечивает повышение качества получаемых эпитаксиальных структур с ультратонким поверхностным слоем.
Каналы, которые соединены с отверстиями 19 в основании 3 и/или с отверстиями полости 11, могут быть снабжены вентилями. В частности, на каналах 12 и 13 установлены вентили 5 и 6, что позволяет повышать, понижать и удерживать необходимое давление газа в полости 10. На канале 16 для подачи газа в полость 11 также установлен вентиль 7, который может регулировать подачу газа/жидкости и задавать откуда – из канала 14 или канала 15 – поступает в канал 16 подаваемая в полость 11 жидкая или газовая среда. С помощью этих вентилей возможно обеспечить создание и сохранение в контактной полости 10 «газовой подушки», необходимой для достижения технического результата.
Канал 16 подачи газа/жидкости в полость 11 и, соответственно, отверстие подачи газа в полость предпочтительно размещено под центральной областью полости, как это показано на чертеже. Этим обеспечивается равномерное распределение охлаждающего газа/жидкости в полости 11 из центра к краям, что позволяет равномерно охлаждать контактный газ в полости 10 и, соответственно, эпитаксиальную структуру 1.
Канал 15, из которого газ может поступать через вентиль 7 в канал 16, может быть снабжен нагревателем, который обеспечивает нагрев проходящего по каналу 16 и попадающего в полость 11 газа. Это позволяет нагревать эпитаксиальную структуру 1 после окончания процедуры имплантации ионов для предотвращения ее загрязнения и, тем самым, повышения ее качества.
В каналах 17 и 18, через которые газ или жидкость выводятся из полости 11, вентили в соответствии с чертежом не установлены, поскольку подача газа/жидкости через канал 16 осуществляется непрерывно, что позволяет добиться эффективного достижения и удержания заданной температуры эпитаксиальной структуры 1. Однако в некоторых вариантах выполнения каналы 17 и 18 вывода газа/жидкости из полости 11 могут быть снабжены вентилями. Эти каналы и отверстия в полости, с которыми они соединены, предпочтительно расположены по краям полости, что позволяет разместить канал 16 и отверстие для подачи охлаждающей среды в полость в центре.
Получать эпитаксиальные структуры с помощью описанного устройства можно следующим способом. На основание 3 укладывают прокладку 4, на которую, в свою очередь, укладывают эпитаксиальную структуру 1. При этом образуется контактная полость 10 между эпитаксиальной структурой 1, основанием 3 и прокладкой 4. Эпитаксиальную структуру 1 прижимают к прокладке 4 с помощью прижимного элемента 2.
-6
-2
-3
0
Далее устройство с эпитаксиальной структурой помещают в установку ионной имплантации, из которой откачивают воздух, например, до давления ~ 5.10 мм.рт.ст. или ниже. Преимущественно одновременно с этим открывают вентили 5 и 6 и откачивают воздух из контактной полости 10 между эпитаксиальной структурой 1, основанием 3 и прокладкой 4 до давления  от 1.10 мм.рт.ст. до 1.10 мм.рт.ст и напускают в нее контактный газ до давления не более 5.10 мм.рт.ст. в течение примерно 1 мин. Гелий может подаваться с использованием форвакуумного насоса или, предпочтительно, без него, из баллона с гелием.
Затем открывают вентиль 7 и в полость 11 в основании 3 подают охлаждающий газ, в частности, охлажденный до температуры (-60°С) -  (-80°С) азот, например, с избыточным давлением не менее 0,5 атмосфер и охлаждают эпитаксиальную структуру 1 до температуры 0°С или ниже.
После вышеописанной подготовки проводят имплантацию ионов в эпитаксиальную структуру 1.
После окончания имплантации ионов в полость 11 в основании 3 прекращают подачу охлажденного газа и подают нагретый газ, в частности азот. Нагрев газа предпочтительно осуществляется с помощью нагревателя 8. С помощью нагретого газа эпитаксиальная структура нагревается до комнатной температуры, что предотвращает ее загрязнение при извлечении из установки имплантации, поскольку если не проводить такой принудительный нагрев, то на холодной эпитаксиальной структуре после извлечения из приемной камеры установки имплантации образуется водяной конденсат, что приведет к ее загрязнению, устранение которого снижает качество получаемого изделия. Таким образом, нагрев эпитаксиальной структуры после окончание имплантации ионов дополнительно повышает ее качество.
В целом известные из уровня техники устройства и способы для получения эпитаксиальных структур не позволяют получать, например, структуры КНС с ультратонким слоем кремния величиной менее 0,1 мкм. Связано это с темя, что известные способы получения указанных структур основаны на твердофазной рекристаллизации  аморфного слоя, образованного при  имплантации исходной структуры КНС (толщина кремния 0.3 мкм)  ионами кремния, с последующим утонением  слоя кремния методом термического окисления и удаления окисла.
Во время имплантации происходит нагрев структуры КНС до 400°С. Если в процессе имплантации не охлаждать структуру КНС до температуры менее 0°С, то образование аморфного слоя не произойдет из-за самоотжига радиационных дефектов. Таким образом, рекристаллизация при последующей термообработке не будет иметь место и не будет достигнуто требуемого улучшения структурного совершенства слоя кремния в пределах 0,1 мкм от границы раздела кремний-сапфир. Следовательно, последующее утонение не позволит получить ультратонкий слой кремний необходимого приборного качества.
Предлагаемые устройство и способ для получения эпитаксиальных структур обеспечивают необходимое равномерное охлаждение до температуры менее 0°С по всей площади эпитаксиальной структуры, что позволяет обеспечивать ультратонкий слой кремния толщиной менее 0,1 мкм по всей площади пластины, то есть повысить качество получаемых эпитаксиальных структур. Для этого площадь полости 11 (в чатсности, ее веррхней стенки) в основании 3 должна составлять не менее 50% или 60% или 70% или 80% или 90% или 95% или 98% или 99% или 100% от площади, охватываемой контуром прокладки 4, участвующей в формировании контактной полости 10. Даже в тех случаях, когда площадь полости 11 меньше площади внутри контура прокладки 4 в указанных пределах, равномерность и эффективность охлаждения эпитаксиальной структуры 1 обеспечивается, поскольку контакный газ отделяет стенку полости 11 от эпитаксиальной структуры 1 и эффективно распределяет (отводит) тепло по всей площади. В то же время, чем меньше различие в площади, тем проще обеспечить требуемую эфективность и равномерность охлаждения.
Критически важным является обеспечение равномерного охлаждения структур КНС по всей площади при ионной имплантации для получения равномерного уровня аморфизации,  равномерного и воспроизводимого структурного совершенства слоя кремния на сапфире, что в свою очередь обеспечит равномерное распределение по пластине  такого важного для работы приборов параметра, как подвижность электронов в слое кремния.
2
-1
-1
Устройства для охлаждения структур КНС при имплантации, известные из уровня техники, не обеспечивают требуемого равномерного охлаждения. В полученных структурах разброс величины подвижности электронов в n-канальном МОП транзисторе находится в пределах от 200 до 500 смВс.
2
-1
-1
Предлагаемая конструкция устройства для получения эпитаксиальных структур и соответствующий способ, для охлаждения структур КНС при аморфизации ионной имплантации обеспечивает разброс величины подвижности электронов в n-канальном МОП транзисторе находится в пределах от 600 до 700 смВс, что также значительно повышает качество получаемых эпитаксиальных структур.
Таким образом, устройство и способ для охлаждения эпитаксиальных стурктур в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают улучшение качество получаемых в процессе ионной имплантации структур, которое заключается в повышенном и более равномерном структурном совершенстве – то есть сниженную плотность структурных дефектов (двойников, дислокаций и т.п.). Более однородное и равномерное распределение структурного совершенства по площади пластины приводит при утонении к к более однородному и равномерному распределению по площади толщины слоя кремния и однородному и равномерному распределению по площади величины подвижности электронов в слое кремния, что позволяет повысить количество и/или размер эпитаксиальных структур, соответствующих заданным требованиям.
На чертеже показан лишь пример реализации настоящего изобретения. Все указанные в описании технические результаты, в том числе дополнительные, достигаются с помощью устройства и способа в соответствии с настоящим изобретением одновременно и неразрывно друг от друга. Представленный на сопровождающем чертеже вариант осуществления, а также детально описанные дополнительные варианты осуществления предназначены для упрощения понимания сущности изобретения и не должны толковаться как ограничивающие объем охраны изобретения, определяемый последующей формулой изобретения. Последовательность некоторых шагов выполнения способа может отличаться от изложенной в описании и формуле изобретения: некоторые шаги способа могут меняться местами во времени или выполняться одновременно. Представленное в описании и формуле изобретения перечисление шагов не означает, что шаги выполняются в этой последовательности, а лишь указывает на шаги, необходимые для реализации способа. Описанные варианты могут объединяться и комбинироваться в любых сочетаниях, обеспечивающих реализацию принципа действия и достижение заявленных технических результатов. В результате комбинации отдельных вариантов могут достигаться дополнительные технические результаты.
Данное выше описание составлено для детального пояснения изобретения и упрощения понимания его сущности, и оно не предназначено для ограничения объема охраны изобретения, определяемого формулой изобретения. Некоторые элементы, описанные по отношению к чертежу, могут отсутствовать в некоторых реализациях изобретения. Необходимые для реализации изобретения элементы указаны в формуле изобретения.