РЕАКТОР С ПОДЛОЖКОДЕРЖАТЕЛЕМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЕВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ
REACTOR WITH SUBSTRATE HOLDER FOR OBTAINING LAYERS FROM GASEOUS PHASE AT DECREASED PRESSURE

Изобретение относится к оборудованию для получения слоев из газовой фазы при пониженном давлении (ХОГФПД) и может быть использовано при формировании диэлектрических, полупроводниковых и проводящих слоев в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем используют низкотемпературные диэлектрические, полупроводниковые, металлические слои, полученные ХОГФПД - методом нетермической активацией реагентов (плазмой, фотохимией и др.) и с термической активацией реагентов. Нетермическая активация ХОГФПД может вносить в диэлектрические слои дополнительный заряд носителей, технологически трудно добиваться стехиометрического состава слоев, что приводит к уменьшению срока годности приборов. Термическая активация низкотемпературных диэлектрических слоев лишена вышеуказанных недостатков.
Однако на неоднородность толщины осаждаемых слоев при термической активации влияют два фактора:
р
п
р
п
-1
- геометрический фактор расположения подложек в реакторе L·(R-r), где L - расстояние между обрабатываемыми подложками; R - внутренний радиус реактора, в котором обрабатываются подложки; r - радиус подложки;
- уменьшение толщины слоя на подложке как в местах их расположения в пазах подложкодержателя, так и выше пазов.
Анализ неоднородности толщины диэлектрического слоя на подложке позволяет условно свести процессы ХОГФПД по геометрическому фактору в две группы.
2
2
3
2
2
2
4
3
4
3
4
3
4
2
5
4
6
2
4
3
4
2
4
3
4
3
2
2
5
4
3
К первой группе относятся процессы осаждения при температуре осаждения с использованием реагентов: SiHCl+NH; SiHCl+NO; SiCl+NH; TiCl+NH; SiH+BCl; пиролиз SiH; пиролиз ТЭОСа Si(OCH). Для процессов первой группы неоднородность толщины слоя по подложке практически не зависит от геометрического фактора расположения подложек в реакторе. Ко второй группе относятся процессы осаждения с использованием реагентов: WF+H; SiH+NH; SiH+O; SiH+PH; SiH+PH+O; Si(OCH)+PH. Для процессов второй группы неоднородность толщины слоя по подложке зависит от геометрического фактора расположения подложек в реакторе.
4
3
р
п
4
2
опт
р
п
-1
-1
Для второй группы процессов, в частности для получения нитрида кремния с использованием SiH+NH в работе [1] экспериментально было определено, что отношение L·(R-r)=2 дает (1-2) % неоднородности толщины слоя по подложке. При уменьшении этого отношения наблюдается утолщение осаждаемого слоя по периферии подложек, а при увеличении - утонение. В работе [2], на примере получения диоксида кремния с использованием SiH+O теоретически показано, что условием равномерного осаждения слоя по подложке является отношение L×(R-r)=2.
опт
р
п
-1
Таким образом для уменьшения неоднородности толщины слоя по подложке необходимо выполнять два условия: соблюдать отношение L×(R-r)=2 в подложкодержателе и уменьшать толщину носителей подложек.
Известно устройство для получения слоев из газовой фазы [3], содержащее реактор осаждения, герметичность которого достигается уплотнениями между верхним торцом и фланцем, а также кварцевой трубой и нижнем фланцем. В камере расположены дополнительный подложкодержатель, включающий вертикальный набор дисков для установки подложек, которые разделены между собой распорными кольцами кожуха, подвешенного с помощью установочной прорези в держателе на пальце вала и фланца, который закреплен в кожухе с помощью шпилек после полной сборки. Дополнительный подложкодержатель висит на валу 15 и кинематически связан с приводом вращения. Основной подложкодержатель содержит диски для подложек, которые разделены распорными кольцами. Коаксиально кварцевой трубе установлен нагреватель, который обеспечивает равномерный нагрев реакционной зоны. Для ввода газов предусмотрен штуцер, который присоединен к газовому блоку. Для удаления обработанных газов камера снабжена выпускным патрубком, соединенным с вакуумным насосом. Диск выполняет функции обтекателя. В устройстве газовый поток проходит по газовому вводу и, обтекая диск, через кольцевые щели поступает к подложкам, расположенным на дисках. Данному устройству присущи недостатки: сложность и дороговизна изготовления конструкции увеличивает себестоимость изготовления продукции, отсутствие вертикального расположения подложек существенно снижает производительность обработки последних за цикл, в данном устройстве не предоставляется возможности выдерживать геометрический фактор расположения подложек в реакторе.
Известно устройство для получения слоев из газовой фазы при пониженном давлении [4], содержащее реактор осаждения, состоящий 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, 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.
опт
р
п
-1
Известно устройство для получения слоев из газовой фазы [5], содержащее реактор осаждения в виде горизонтальной трубы с отверстиями, равномерно расположенными на ее стенках, и установленные коаксиально реактору камеру подачи в него газовой смеси, снабженную патрубком, и нагреватель. Реактор снабжен патрубком для дополнительного ввода газовой смеси, а отверстия выполнены в виде продольных прорезей. В устройствах [4, 5] удалось избавится от градиентов давлении и температуры в реакторе, что позволило улучшить однородность уровня легирования слоев, например диоксида кремния и поликремния. Однако этим устройствам присущи недостатки: трудоемкость изготовления и дороговизна данной конструкции, двойная герметизация реакторов, подложкодержатель не удовлетворяет условию L×(R-r)=2.
Наиболее удобным вариантом для оптимизации геометрического фактора расположения подложек является устройство (подложкодержатель), в котором размещаются обрабатываемые подложки, размеры которого удовлетворяют условию
опт
р
п
-1
L×(R-r)=2, размещающееся при получении слоев в реакторе.
Наиболее близким аналогом реактора с подложкодержателем, принятого нами за прототип, является реактор с подложкодержателем [6], состоящим из нижнего основания, которое содержит торцовые фланцы, по периметру торцовых фланцев приварены кварцевые стержни на расстоянии (3-6) мм. Внутри нижнего основания из двух кварцевых стержней диаметром 8-10 мм изготовлен носитель для подложек. В верхней части торцовых фланцев стержни отсутствуют. Внутренняя стенка реактора становится как бы продолжением подложкодержателя.
К недостаткам прототипа относится трудоемкость изготовления данной конструкции из кварца; подложка на носителе находится в прорезях глубиной 4-6 мм, которые экранируют осаждение слоя на подложке, ухудшая однородность толщины слоя по подложке; напряженность данной конструкции из-за большой площади сварки кварца, после двух, трех химических отмывок подложкодержатель выходит из строя (отпадают кварцевые стержни от фланцев), трудно выдерживать одинаковое расстояние между кварцевыми стержнями и подложкой в нижнем основании и внутренней стенкой реактора и краем подложки в верхней части.
Техническим результатом изобретения является уменьшение неоднородности толщины осаждаемого слоя, увеличение долговечности устройства, упрощение технологии его изготовления, снижение себестоимости получения диэлектрических, полупроводниковых и металлических слоев для производства интегральных микросхем.
р
п
p
п
-1
Технический результат достигается тем, что в реакторе с подложкодержателем для получения слоев из газовой фазы при пониженном давлении, включающем реактор в виде горизонтальной трубы, герметизированный от атмосферы, нагреватель реактора, вводы для газов, откачной трубопровод с затвором и клапаном медленной откачки, вакуумный насос, установлен подложкодержатель, состоящий из нижнего основания в виде полуцилиндра, содержащий секции носителей подложек, выполненные из двух торцовых фланцев, по торцам которых прикреплены полосковые носители с прорезями для подложек, секции скреплены внутренними торцовыми фланцами, по периметру торцовых фланцев и внешней стороне полосковых носителей закреплен перфорированный кожух, к внешним торцовым фланцам нижнего основания прикреплены дополнительные фланцы, обеспечивающие коаксиальное расположение подложкодержателя в реакторе, нижнее основание закрыто верхним кожухом с перфорацией в виде полуцилиндра с радиусом, равным радиусу нижнего основания, кожухи перфорированы в шахматном порядке. Подложкодержатель выполнен из листового титана. Размеры подложкодержателя удовлетворяют условию: L·(R-r)=2, где L - расстояние между подложками, R - внутренний радиус нижнего и верхнего кожухов; r - радиус подложки. Под подложкодержателем установлена, по крайней мере, одна трубка, перфорированная отверстиями, по длине, равной зоне осаждения реактора.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-5.
На фиг.1 представлен реактор с подложкодержателем, где 1 - реактор, 2 - нагреватель, 3 - вводы для газов, 4 - откачной трубопровод, 5- клапан медленной откачки, 6 - вакуумный затвор, 7 - вакуумный насос, 8 - подложкодержатель.
На фиг.2 представлен разрез подложкодержателя, где 9 - основание в виде полуцилиндра с секциями 10 и 11, 12 - полосковые носители, 13 - прорези для подложек - 14, 15 - перфорированный кожух, 16 - фланцы секций, 17 - вспомогательные фланцы подложкодержателя, 18 - приливы.
На фиг.3 представлен вид с торца подложкодержателя, где: 17 - вспомогательный фланец, 12 - полосковые носители, 18 - прилив, 19 - крепление полоскового носителя к фланцу 16.
На фиг.4 представлен фрагмент подложкодержателя, где: верхний кожух - 20, перфорация - 21 верхнего кожуха, 22 - ушко для снятия верхнего кожуха, 23 - фланец верхнего кожуха.
На фиг.5 представлен вид с торца верхнего кожуха, где 22 - ушко для снятия верхнего кожуха, 23 - фланец верхнего кожуха, 20 - верхний кожух.
Подложкодержатель выполнен из титана: перфорированные кожухи 15 и 20 и полосковые носители 12 имеют толщину 1 мм, причем полосковые носители 12 выполнены жесткой конструкции; фланцы секций и вспомогательные фланцы подложкодержателя имеют толщину 2 мм. Кожухи 15 и 20 перфорированы отверстиями диаметром 4 мм в шахматном порядке с расстоянием между отверстиями 12 мм и между рядами отверстий 12 мм.
Пример 1. Получение слоя диоксида кремния с использованием моносилана и кислорода.
Загружают в реактор 1 подложкодержатель 8 с кремниевыми подложками 14, через открытую вакуумную заслонку в зону осаждения реактора. Закрывают вакуумную заслонку, проводят медленную откачку реактора до 300-400 Па через клапан медленной откачки, открывают вакуумный затвор и подают азот расходом 100-120 л/ч в реактор. Откачивают реактор до времени стабилизации температуры 420°C по зоне осаждения, отключают подачу азота. Откачивают реактор до предельного вакуума и закрывают вакуумный затвор. Проверяют реактор на герметичность. Открывают вакуумный затвор и подают в реактор кислород через регулятор расхода газа с расходом 15 л/ч и моносилан с расходом 40 л/ч в течение 60 мин. Прекращают подачу моносилана, а потом кислорода. Откачивают реактор до предельного вакуума и подают в камеру осаждения азот расходом 100-120 л/ч. Прокачивают реактор 5 мин, прекращают подачу азота. Откачивают реактор до предельного вакуума, закрывают затвор и заполняют реактор азотом расходом 60 л/ч до давления 300-600 Па. Увеличивают расход азота до 300 л/ч и заполняют реактор до атмосферного давления. Открывают вакуумную заслонку и выгружают подложки из устройства. Закрывают вакуумную заслонку, открывают вакуумный затвор, проводят медленную откачку реактора до 300-400 Па через байпасную линию, подают азот расходом 100-120 л/ч и проводят откачку реактора до следующего процесса. Толщина слоя диоксида кремния составила 650 нм, а неоднородность толщины по подложке составила ±3%.
Пример 2. Получение слоя фосфорно-силикатного стекла с использованием моносилана, кислорода и фосфина.
Загружают в реактор 1 подложкодержатель 8 с кремниевыми подложками 14 через открытую вакуумную заслонку в зону осаждения реактора, закрывают вакуумную заслонку, проводят откачку реактора до 300-400 Па через клапан медленной откачки. Открывают вакуумный затвор, подают азот расходом 100-120 л/ч в реактор и откачивают реактор до времени стабилизации температуры 420°C в зоне осаждения. Отключают подачу азота и откачивают реактор до предельного вакуума. Закрывают вакуумный затвор. Проверяют реактор на герметичность. Открывают вакуумный затвор и подают в реактор кислород через регулятор расхода газа расходом 15 л/ч. Подают моносилан и фосфин в реактор расходом 40 л/ч и 6 л/ч соответственно в течение 60 мин. Прекращают подачу моносилана и фосфина, а потом и кислорода. Откачивают реактор до предельного вакуума. Подают в камеру осаждения азот расходом 100-120 л/ч и прокачивают реактор 5 мин. Прекращают подачу азота и откачивают реактор до предельного вакуума. Закрывают затвор и заполняют реактор азотом расходом 60 л/ч до давления 300-600 Па. Увеличивают расход азота до 300 л/ч и заполняют реактор до атмосферного давления. Затем открывают вакуумную заслонку и выгружают подложки 6 из подложкодержателя. Закрывают вакуумную заслонку, открывают вакуумный затвор, проводят медленную откачку реактора до 300-400 Па через байпасную линию. Подают азот расходом 100-120 л/ч и проводят откачку реактора до следующего процесса. Толщина слоя диоксида кремния составляла 500 нм, а неоднородность толщины по подложке составляла ±3%, неоднородность легирования фосфором по зоне осаждения составила 5-8%.
Пример 3. Получение вольфрама.
Загружают в реактор 1 подложкодержатель 8 с кремниевыми подложками 14 через открытую вакуумную заслонку в зону осаждения реактора. Закрывают вакуумную заслонку, проводят медленную откачку реактора до 300-400 Па через клапан медленной откачки, открывают вакуумный затвор и подают азот расходом 100-120 л/ч в реактор. Откачивают реактор до времени стабилизации температуры 350°C по зоне осаждения, отключают подачу азота. Откачивают реактор до предельного вакуума и закрывают вакуумный затвор. Проверяют реактор на герметичность. Открывают вакуумный затвор и подают в реактор водород через регулятор расхода газа с расходом 60 л/ч и фтористый вольфрам с расходом 5 л/ч в течение 60 мин. Прекращают подачу водорода, а потом фтористого вольфрама. Откачивают реактор до предельного вакуума и подают в камеру осаждения азот расходом 100-120 л/ч. Прокачивают реактор 5 мин, прекращают подачу азота. Откачивают реактор до предельного вакуума, закрывают затвор и заполняют реактор азотом расходом 60 л/ч до давления 300-600 Па. Увеличивают расход азота до 300 л/ч и заполняют реактор до атмосферного давления. Открывают вакуумную заслонку и выгружают подложки из устройства. Закрывают вакуумную заслонку, открывают вакуумный затвор, проводят медленную откачку реактора до 300-400 Па через байпасную линию, подают азот расходом 100-120 л/ч и проводят откачку реактора до следующего процесса. Толщина слоя вольфрама составляла 300 нм, неоднородность толщины по подложке составляла±3%.
опт
р
п
-1
Подложкодержатель с отношением L×(R-r)=2 и уменьшенной толщиной полосковых носителей 12 подложек 14 позволил улучшить неоднородность толщины слоев и легирования.
Источники информации
1. В.Н.Кокин, Н.М.Манжа и др. «Оптимальные условия получения высококачественных пленок нитрида кремния при пониженном давлении» - Электронная промышленность, 2Т (31), 1986, с.26-28.
2. Н.М.Манжа, С.И.Патюков, В.З.Петрова. «Кинетика процесса осаждения пленок оксида кремния при окислении моносилана кислородом в реакторе». - Электронная техника. Сер.3. Микроэлектроника. Вып.2 (141), 1991, с.36-39.
3. Патент РФ №1580873, МПК: C23C 16/00, 1994.
4. Патент РФ №2324020, МПК: C30B 25/14, 2006.
5. А.с. СССР №1334781, МПК: C30B 25/00, 1996.
6. Пат. США №4220116, 1980. Reactant gas flow structure for a low pressure CVD sysem (Burroughs Corp) - прототип.