CVD-РЕАКТОР И СПОСОБ СИНТЕЗА ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК КАРБИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИИ
CVD-REACTOR AND METHOD OF SYNTHESIS OF HETERO-EPITAXIAL FILMS OF SILICON CARBIDE ON SILICON

4
2
2
3
3
3
3
3
2
2
3
2
2
4
2
2
2
6
Изобретение относится к сфере производства гетероэпитаксиальных структур карбида кремния на кремнии, которые могут быть использованы в качестве подложек в технологии изготовления приборов и устройств полупроводниковой электроники с повышенными эксплуатационными характеристиками. В основе изобретения лежит метод химического осаждения из газовой фазы, который в зарубежной литературе именуется как метод CVD (Chemical Vapor Deposition). Сущность данного метода заключается в том, что в результате химических реакций, протекающих в газовой фазе и на поверхности подложки с участием источников компонентов пленки и промежуточных соединений, происходит синтез материала пленки. В качестве источников компонентов пленки карбида кремния обычно используют силан и пропан, растворенные в водороде. Кроме того, в качестве источников используют и другие вещества: SiCl, SiClH, CHSiH, CHSiCl, (CH)SiH, (CH)SiCl, CH, СН, СН. Скорость осаждения карбида кремния зависит от температуры синтеза и от концентрации источников компонентов в парогазовой смеси.
Существуют различающиеся по конструкции реакторы и способы синтеза монокристаллических пленок, описанные в публикациях US 6299683 (09.10.2001), WO 9623912 (08.08.1996), JP 2005109408 (21.04.2005), US 4123571 (31.10.1978), RU №2162117 (20.01.2001), которые позволяют термоактивированным методом CVD осуществлять осаждение карбида кремния в диапазоне температур подложек от 800°С до 2500°С. Недостатком этих реакторов и методов синтеза является низкая эффективность использования водорода, то есть конструкции существующих реакторов не позволяют вводить в зону синтеза (где расположена подложка) водород, имеющий большую температуру, чем растворенные в нем источники компонентов пленки. Поэтому эффективность взаимодействия водорода с поверхностными атомами пленки карбида кремния, а вместе с этим скорость травления и роста толщины пленки зависят от температуры подложки.
Для осаждения монокристаллических пленок условия синтеза подбираются таким образом, чтобы не возникло массовое зародышеобразование, ведущее к формированию микрокристаллического или аморфно-кристаллического покрытия. Как правило, для подавления массового зародышеобразования стараются использовать максимально возможные температуры подложек порядка 1800-2500°С, что является неприемлемым для гетероэпитаксиального синтеза на подложках кремния. Другой вариант - использование парогазовых смесей, разбавленных в водороде. В данном случае водород является не только газом-носителем, но и, взаимодействуя с атомами зародышей синтезируемой пленки, подавляет процесс их массового образования. Эффективность влияния водорода на процессы синтеза монокристаллической пленки зависит от его температуры. По этой причине возникает проблема синтеза монокристаллических пленок карбида кремния со скоростью, большей чем 5 мкм/час, в диапазоне температур подложки от 800 до 1380°С. Простое увеличение концентрации источников компонентов пленки в парогазовой смеси эту проблему решить не может, так как ведет к массовому зародышеобразованию, являющемуся следствием увеличения скоростей выпадения кремния и углерода в осадок. Отчасти эту проблему можно решить путем осуществления процесса синтеза в реакторе с "горячими" стенками. Данные типы реакторов позволяют нагревать парогазовую смесь до температуры, большей, чем температура подложки. В результате разогрева водорода увеличивается концентрация его радикалов, которые более эффективно, чем молекулярный водород, взаимодействуют с атомами поверхности растущей пленки.
В качестве прототипа выбран способ синтеза гетероэпитаксиальных монокристаллических пленок карбида кремния на кремниевых подложках путем химического осаждения из газовой фазы, описанный в публикации US №6299683 B1 (09.10.2001), в котором для подачи газов, содержащих компоненты пленки, и газа-носителя в контейнер кварцевого трубчатого реактора с установленной в нем подложкой используется как резистивный нагрев подложек, так и индукционный нагрев контейнера с подложкой до температуры 800-1400°С. Реактор для осуществления включает кварцевую трубу с размещенным в ней контейнером с подложкой. Особенностью данного метода является то, что исходные газы и газ-носитель подаются в реактор раздельно, причем газ-носитель подается параллельно и окружает поток газов, содержащих компоненты пленки, для предотвращения взаимодействия данных газов с оснасткой реактора, что по мнению авторов приводит к повышению коэффициента использования газов, содержащих углерод и кремний, при осаждении.
2
-8
Однако при таком построении реактора и температуре не учитывается спонтанное зародышеобразование, происходящее на поверхности подложки кремния, которое приводит к накоплению дефектов в процессе осаждения. Для предотвращения накопления дефектов при данных температурах необходимо проводить травление дефектов в процессе осаждения газами-травителями (Н, HCl и т.д.), но при температурах 800-1400°С степень диссоциации водорода составляет 10 и травление будет неэффективно, а использование других травителей нецелесообразно из-за накопления в пленке продуктов разложения. Для увеличения степени диссоциации водорода до уровня, сопоставимого со скоростью роста пленки, необходимо повысить температуру на поверхности подложки кремния выше 1800°С, которая выше, чем температура плавления кремния. Однако данный тип реактора не позволяет проводить процессы синтеза в условиях, при которых источники компонентов пленки и подложка, находящиеся в зоне синтеза, имеют температуру, меньшую, чем поступающий в эту же зону водород. В связи с этим недостатком конструкции данного реактора является невозможность синтеза высококачественных пленок карбида кремния при температурах менее чем 1800°С.
Задача настоящего изобретения состояла в том, чтобы разработать способ синтеза и реактор для его осуществления, которые позволили бы синтезировать высококачественные гетероэпитаксиальные монокристаллические пленки карбида кремния на кремнии при температурах до 1400°С.
Технологическим результатом, получаемым при реализации заявленного изобретения, является снижение производственных затрат при сохранении качества, достаточного для их последующего использования в изготовлении элементов электронной техники.
Технический результат достигается за счет того, что в процессе синтеза пленки карбида кремния предлагается использование активного водорода. Как известно, наибольшей реакционной способностью обладают радикалы водорода. С точки зрения термодинамики, повышение температуры газа ведет к увеличению их концентрации. Таким образом, повышая температуру водорода, можно, сохраняя его расход, увеличить его эффективность в процессах образования монокристаллического карбида кремния. С целью подавления процессов взаимодействия источников компонентов пленки в газовой фазе, в процессе их доставки к подложке, предлагается осуществить их ввод в зону синтеза отдельно от ввода водорода. С целью уменьшения энергетических затрат на синтез монокристаллической пленки карбида кремния предлагается использование кремнийорганических мономеров, которые уже содержат как минимум одну связь кремния с углеродом.
Согласно изобретению в CVD-реакторе для синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремнии водород с температурой, сопоставимой с температурой нагревателя, поступает в зону синтеза по нормали к подложке кремния, а источники компонентов пленки параллельно подложке, причем нагреватели изготовлены из тантала; секции нагревательных элементов расположены по окружности вокруг центрального токоввода, выполняющего одновременно роль канала для отвода продуктов синтеза; секции нагревательных элементов и подложки находятся в различных параллельных плоскостях в следующей последовательности: нагреватель-подложка-подложкодержатель-подложка-нагреватель.
Согласно изобретению в процессе синтеза гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния на кремнии используется активный водород; причем температура газа выше температуры подложки и источников компонентов пленки как минимум на 100°С.
Так как предлагаемый способ синтеза пленок карбида кремния неразрывно связан с оборудованием для его осуществления, то проиллюстрируем их применение на примерах с различными вариантами конструкций реакторов.
Вариант 1
Две кремниевых пластины 1 (подложки) требуемой ориентации закрепляются (приклеиваются) на подложкодержателе 2 так, как это изображено на фиг.1. Конструкция подложкодержателя выполнена из цельного куска графита в виде двух конусов, соединенных вместе. Подложкодержатель, при помощи держателя 3 и 4 (изготовленных из высокоплотного графита или коррозионностойкой жаропрочной стали и полых внутри), закрепляется в контейнере 5. Такое расположение подложек отличается от предложенного авторами публикаций JP 2005109408 (21.04.2005), RU №2162117 (20.01.2001), US 6299683 (09.10.2001). Внутренние боковые стенки контейнера 5 изготовлены из тантала, подвергшегося предварительной карбидизации. Верхняя и нижняя стенки также сделаны из тантала, и полые внутри. Контейнер помещен во внутрь графитового нагревателя 6, разогреваемого при помощи индуктора 7. Конструкция, состоящая из подложек 1, подложкодержателя 2, держателей 3, 4, деталей контейнера 5, нагревателя 6, с теплоизоляцией 8, помещается во внутрь кварцевой трубы.
2
-2
Посредством трубок 9 водород подается во внутренние полости верхней и нижней стенок контейнера, где разогревается до 1100-2200°С. Затем через отверстия в корпусе стенок попадает в зону синтеза, где расположены подложки. В связи с тем, что эффективность влияния водорода в большей степени зависит от концентрации радикалов, то важно, чтобы в реакторе поддерживалось пониженное давление от 5·10 до 5·10 Па. При понижении давления увеличивается длина свободного пробега радикалов и молекул в газовой фазе, поэтому с понижением давления увеличивается доля атомов водорода, образовавшихся в полостях контейнера и достигших поверхности подложки.
Источники компонентов пленки, предпочтительно кремнийорганические мономеры (КМ), подаются в зону синтеза из испарителя 10, отдельно от водорода, с температурой, меньшей температуры их разложения. Расход КМ и водорода подбирается экспериментально и оптимизируется по максимально возможной скорости роста монокристаллической пленки карбида кремния. Управление стехиометрией состава карбида кремния осуществляется путем использования смесей кремнийорганических мономеров. В процессе их движения через зону синтеза они нагреваются, и на подложке начинается процесс образования пленки карбида кремния. Нагрев подложек производится посредством поглощения подложкой и подложкодержателем излучения от верхней и нижней стенки контейнера. Управление температурой подложкодержателя выполняется путем изменения температуры держателей 3 и 4, через внутренние полости которых пропускается охлажденный аргон. Температуру подложки поддерживают в диапазоне от 800 до 1380°С, температура водорода, поступающего в зону синтеза, 1100-2200°С. Предпочтение отдается условиям, при которых температура входящего в зону синтеза водорода больше температуры подложки более чем на 100°С.
Вариант 2
Отличие от варианта 1 заключается в том, что нагреватели изготовлены из тантала.
Вариант 3
Отличие от варианта 1 заключается в том, что нагреватели изготовлены из тантала и их нагрев осуществляется путем прохождения через них электрического тока, то есть резистивным способом.
Вариант 4
Отличие от варианта 1 заключается в том, что нагреватели выполнены из танталовой трубки, согнутой в спираль или сваренной в сетку. В стенках трубок, направленных к подложкам, сделаны отверстия для подачи водорода в зону синтеза. Секции из нагревателей 11 расположены в реакторе вокруг центрального токоввода 12 так, как это изображено на фиг.2. В центральном водоохлаждаемом токовводе выполнены отверстия 13, через которые осуществляется отвод продуктов реакции образования карбида кремния. Водород во внутрь нагревателей подается через вторые токовводы 14, выполненные из жаропрочной нержавеющей стали, которые закреплены во внешнем корпусе реактора через изолятор 15.
Подложкодержатели 16 при помощи опорного кольца 17 и карусели 18 (удерживаемой роликами 19) закрепляются в реакторе так, как это показано на фиг.2. При помощи привода вращения 20 через ролики 19 осуществляется вращение карусели 18 и подложкодержателей 16, что позволяет последнему перемещаться по зоне синтеза.
Загрузка подложкодержателей с подложками в реактор осуществляется через шлюз 21.
Источники компонентов пленки из испарителей 22, через отверстия в газораспределительном кольце 23, вводятся в зону синтеза отдельно от водорода.
Управление температурой подложек, разогреваемых излучением от нагревателей 11, осуществляется путем охлаждения опорного кольца 17 проходящим через него охлажденным аргоном.
Контроль температуры подложек производится при помощи пирометра.
Синтез пленки карбида кремния осуществляется так же, как и в варианте 1.
Вариант 5
В отличие от варианта 4, в реакторе присутствуют несколько слоев нагревателей и подложкодержателей, как это изображено на фиг.3. То есть реализуется так называемая сэндвич-структура, которая позволяет более эффективно использовать излучение от каждого нагревателя. Производительность такого реактора зависит от его диаметра и от количества параллельных чередующихся слоев нагревателей и подложек.