Устройство осаждения слоев из газовой фазы

 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии производства полупроводниковых приборов и ИС. Сущность изобретения: устройство содержит реакционный блок, включающий кварцевый реактор с излучателем, корпус с подложкодержателем, перегрузочную камеру, включающую механизм перегрузки и шлюзовую камеру с уплотняющей крышкой, герметичный кожух, охлаждаемый экран, установленный с возможностью перемещения. При этом крышка шлюзовой камеры снабжена захватами для фиксации пластины и состыкована с механизмом перегрузки с возможностью перемещения через разъем в реакционном блоке. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устройствам осаждения полупроводниковых слоев из газовой фазы для поштучной обработки пластин и может быть использовано для термического отжига пластин в различных газовых средах, осаждения диэлектрических слоев (двуокись кремния, нитрид кремния и др.) и эпитаксиальных слоев кремния в технологии производства полупроводников и микроэлектронике.

Известно устройство осаждения слоев из газовой фазы для поштучной обработки пластин, содержащее вертикальный цилиндрический кварцевый реактор с горловиной в нижней части для подачи реакционного газа.

Внутри реактора коаксиально установлена кварцевая труба с отверстиями для отвода газа и гнездом в торцевой части для размещения кремниевой пластины рабочей поверхностью вниз и размещенным в трубе опирающимся на пластину цилиндрическим подложкодержателем. Сверху реактор уплотняется фланцем и снабжается патрубком отвода газа. Нагрев пластины осуществляется за счет излучения нагреваемого с помощью токов высокой частоты подложкодержателя.

При проведении, например, процесса эпитаксиального наращивания кремния устройство работает в следующей последовательности. При открытом фланце реактора устанавливают пластину в гнездо рабочей поверхности вниз и над ней - подложкодержатель, после чего фланец уплотняется. После азотной и водородной продувок реактора включается нагрев, по достижении рабочей температуры в смеси водорода и хлористого водорода осуществляется травление пластин и пари подаче в газ - носитель четыреххлористого кремния и лигатуры - эпитаксиальное наращивание. По достижении требуемой толщины осаждаемого слоя прекращают подачу реакционных газов, отключают нагрев, охлаждают подложкодержатель и пластину в среде водорода и азота, после чего открывают фланец реактора и выгружают подложкодержатель и обрабатываемую пластину.

Недостатком устройства являются низкие производительность и качество осаждаемых слоев. Первый недостаток объясняется необходимостью выполнения полного цикла указанных технологических операций, большим объемом реактора и, как следствие, большим расходом газа-носителя, значительной тепловой инерцией подложкодержателя, а второй - сложностью обеспечения равномерного нагрева пластины и повышенной дефектностью эпитаксиального слоя из-за осаждения продуктов реакции на стенках верхней части реактора, через которую осуществляется загрузка пластины, и осыпания частиц на дно реактора с возможностью их рециркуляцией в зону роста. Процесс зарастания реактора порошкообразным осадком прогрессирует из-за адсорбции стенками реактора молекул воды и кислорода из атмосферы.

Известно также устройство, выполненное на более высоком техническом уровне. Оно содержит состыкованные между собой перегрузочную и кассетную камеры. Реакционная камера образована лучепрозрачным реактором в виде колпака с внешним ИК-излучателем, установленным на перегрузочной камере и герметично с ней уплотненным. Внутри перегрузочной камеры размещен уплотняющий реактор подвижный корпус с дисковым подложкодержателем для размещения пластин. Реакционная камера снабжена патрубками подачи и отвода парогазовой смеси, подложкодержатель выполнен с возможностью вращения, а корпус - с возможностью вертикального перемещения из положения уплотнения реактора в положение перегрузки.

Перегрузочная камера выполнена герметичной, содержит перегрузчик и уплотняющую заслонку, за которой размещено кассетное устройство, содержащее два герметичных отсека, в каждом из которых установлена кассета для пластин с механизмами перемещения. Объем перегрузочной камеры постоянно продувается водородом, отсеки кассеты - водородом и азотом.

При проведении эпитаксиального наращивания кремния работа устройства осуществляется в следующей последовательности. Кассета с пластинами устанавливается в продуваемый азотом отсек кассетного устройства, далее шунтируется в отсек, продуваемый водородом. При опущенном корпусе с подложкодержателем с помощью перегрузчика осуществляют перегрузку пластины из кассеты на подложкодержатель, далее перегрузочная камеры герметизируется уплотняющей заслонкой, корпус с пластиной поднимается в верхнее положение и герметизирует реактор. Включается нагрев, по достижении рабочей температуры проводится травление и эпитаксиальное наращивание. Далее нагрев отключается и после остывания пластины до 600^оС корпус с пластиной опускается в нижнее положение, перегрузочная камера разгерметизируется и перегрузчик переносит пластину с подложкодержателя в то же гнездо кассеты, откуда она выгружалась. Далее кассета перемещается на следующую позицию, откуда перегрузчик выгружает пластину на подложкодержатель, герметизируется перерузочное устройство и реактор, и операции повторяются по обработке следующей пластины. После обработки всех пластин кассета перегружается в азотный отсек и заменяется на новую. Основными недостатками установки является низкая производительность и качество осаждения слоев. Первый недостаток объясняется длительным временем охлаждения пластины и большим реакционным объемом, требующим длительной продувки при смене газовой среды, второй - сложностью обеспечения равномерного нагрева пластины от удаленных линейных излучателей и повышенной дефектностью при положении пластины рабочей поверхностью вверх.

В связи с общностью основных конструктивных признаков в качестве прототипа предлагаемого принимается устройство, содержащее кассетное устройство для загрузки и выгрузки пластин, состыкованное с перегрузочной камерой и вмонтированными шлюзовой камерой и реакционным блоком. Перегрузочная камера имеет форму диска с внутренней полостью, в которой на оси установлена поворотная пластина с гнездами для размещения обрабатываемой пластины рабочей поверхностью вверх. В перегрузочной камере соосно с гнездами платформы имеются отверстия для размещения реакционного блока и шлюзовой камеры. Реакционный блок выполнен из двух частей: расположенный под пластиной кварцевый иллюминатор с внешним излучателем типа галогенных ламп и расположенный над пластиной корпус в виде газораспределительной насадки с отверстием для пирометрического контроля температуры. Зазор между ними уплотнен платформой при наличии щелевого зазора по периметру. В объем перегрузочной камеры подается водород, он же является газом-носителем в реакторе.

Шлюзовая камера содержит уплотняющую крышку и шток с манжетным уплотнением и пневматическим приводом, обеспечивающие загрузку и выгрузку пластин в перегрузочную камеру из кассетного устройства. Дополнительный механизм перегрузки обеспечивает транспортировку пластины от шлюзовой камеры до кассеты и обратно. Работа устройства при нанесении эпитаксиальных слоев кремния осуществляется в следующей последовательности.

В состоянии загрузки крышки и шток шлюза находится в верхнем положении, причем перегрузочная камера уплотняется штоком с помощью манжет. Из кассеты пластина переносится на шток под крышку, далее крышка опускается и уплотняется относительно камеры, образуя шлюзовую полость, продуваемую азотом и водородом. После продувки шток с пластиной опускается в нижнее положение и пластина перекладывается в гнездо поворотной платформы, после поворота которой на 180^о оно перемещается в реактор. После продувки объема реактора водородом включают нагрев, при достижении рабочей температуры пластину травят хлористым водородом, далее в реактор подают SiCl₄ (или другие кремнийсодержащие хлориды или гидриды) с легирующими добавками. После отключения нагрева реактор продувают водородом, платформа поворачивается на 180^о, осуществляя перенос пластины из реактора на шток, после подъема которого в верхнее положение пластина покидает перегрузочную камеру и продувается азотом в шлюзовой камере. После подъема крышки она перегружается автономным перегрузчиком в кассетное устройство. Далее работа повторяется в описанной последовательности.

Недостатками устройства являются низкая производительность из-за ограниченной скорости нагрева вследствие неоднородности нагрева и возникновения дефектов по линиям скольжения и низкое качество осаждаемых слоев за счет повышенной дефектности, что объясняется размещением пластины рабочей поверхностью вверх, и низкой чистотой обработки, когда имеет место попадание продуктов реакции из реактора в перегрузочное устройство и обратно.

Целью изобретения является повышение производительности и качества обработки за счет сокращения времени нагрева и охлаждения. Эта цель достигается тем, что устройство снабжено герметичным кожухом для размещения выполненного соосно и по форме пластины с возможностью перемещения относительно нее излучателя и подвижным охлаждаемым экраном для отсечки теплового потока на пластину в отведенном положении излучателя, а крышка шлюза снабжена захватами для фиксации пластины и состыкована с механизмом перегрузки с возможностью перемещения через разъем между реактором и корпусом в положение соосно с подложкодержателем и обратно. Для формирования разъема между реактором и корпусом, последний уплотнен с перегрузочной камерой и закреплен неподвижно, а реактор выполнен подвижным и уплотнен с перегрузочной камерой через мембрану. Для обеспечения двухстороннего нагрева пластины корпус снабжен герметизированными с ним реактором с кожухом и размещенным в нем выполненным соосно по форме пластины с возможностью перемещения относительно нее излучателем с подвижным охлаждаемым экраном для отсечки теплового потока на пластину в отведенном положении излучателя.

Сопоставительный анализ с прототипом и аналогами показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов (герметичный кожух, подвижный охлаждаемый экран излучателя, захваты перегрузчика) и оригинальным выполнением существующих элементов, что позволяет получить неожиданный эффект (выполнения подвижных излучателя и реактора позволяют формировать герметичный реактор с минимальным объемом и тепловой инерцией, подвижный излучатель - быстрый нагрев и охлаждение, а оригинальное выполнение захватов позволяют совместить функции шлюзования и загрузки-выгрузки пластины при простоте конструкции и быстродействии).

На фиг.1 дан продольный разрез устройства; на фиг.2 - перегрузочная камеры в плане со шлюзом и двумя реакционными блоками, разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - продольный разрез позиции обработки с обеспечением двухстороннего нагрева, разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - продольный разрез крышки в месте выполнения захвата, разрез В-В на фиг.2.

Устройство термического отжига и осаждения слоев из газовой фазы содержит реакционный блок 1 и шлюзовую камеру 2, вмонтированные в перегрузочную камеру 3 с механизмом перегрузки 4, пристыкованный к перегрузочной камере 3 бокс 5 с приемной и загрузочной кассетами 6 и механизмом загрузки и выгрузки 7 и манипулятором 8 для транспортировки обрабатываемых пластин 9. Реакционный блок 1 включает в себя размещенные соосно обрабатываемой пластине кварцевый реактор 10 в форме иллюминатора и излучатель 11, выполненный в виде кожуха 12 с футеровкой 13 и проволочного многозвенного высокотемпературного нагревателя 14, закрепленного с помощью изоляторов 15, а также и регулирующие термопары 16 в кварцевом чехле 17. Излучатель 11 размещен внутри герметичного кожуха 18 на штоке 19 с возможностью перемещения от рабочей позиции до зоны ожидания 20, где смонтированы два раздвижных водоохлаждаемых экрана 21 для отсечки теплового потока от излучателя 11 на пластину 9. Реактор 10 уплотнен в металлических водоохлаждаемых фланцах 22 и через герметизирующую мембрану 23 закреплен в проеме 24 перегрузочной камеры 3 и герметизируется закрепленным неподвижно на камере 3 водоохлаждаемым корпусом 25. Фланец 22 с реактором 10 может быть отведен в верхнее положение или уплотнен с корпусом 25 с помощью поворотных вилок 26, соединенных с фланцем 22 через проушину 27. Корпус 25 снабжен устройствами подачи газа 28 и его отвода 29, и торцевым водоохлаждаемым отражателем 30 с подложкодержателем 31 в виде опор для размещения пластины 9. Для обеспечения большей равномерности нагрева пластины 9 возможно встраивание вместо отражателя 30 дополнительного реактора 10 с излучателем 11 и кожухом 18 (см.фиг. 3) симметрично верхнему исполнению (при неподвижном корпусе 25). Шлюзовая камера 2 образована кольцом 32 перегрузочной камеры 3, уплотненным сверху крышкой 33 с четырьмя механическими захватами 34 и снизу выполненной по форме пластины 9 платформой 35, манипулятора 8. Крышка 33 закреплена на кронштейне 36 механизма перегрузки 4, обеспечивающего позиционное перемещение его в реактор и обратно. Захват 34 содержит поворотный рычаг 37, поджимаемый к пластине 9 пружиной 38 и отжимаемый пневмоцилиндром 39, шток 40 которого уплотнен с помощью сильфона 41. Продувка шлюзовой камеры 2 осуществляется через устройства подачи 42 и отвода 43 газа, фиксация пластин на платформе 35 - за счет подключения вакуумной откачки к полости в упорах 44. Уплотнение крышки 33 относительно кольца 32 производится пневмоприжимом 45, снабженным сильфоном 46 и отжимной пружиной 47. Платформа 35 закреплена на штоке 48 поворотного пневмоцилиндра 49, установленного на оси 50. В нижнем положении (после поворота пневмоцилиндра на 180^о и выдвижения штока 48) платформа 35 входит в контакт с пневмотранспортным лотком 51, снабженным наклонными отверстиями 52, обеспечивающими перемещение пластины 9 на газовой подушке из кассеты 6 к платформе 35 и обратно (в зависимости от направления отверстий, через которые подается газ). Шаговое перемещение кассеты 6 при загрузке и выгрузке пластины 9 обеспечивается с помощью механизма перемещения 53, герметизация бокса 5 и возможность ручной смены кассеты 6 - за счет дверцы 54. В бокс 5 обеспечивается непрерывная подача азота, а в перегрузочную камеру 3 - водорода (или газа - носителя, подаваемого в реакционный блок 1). Производительность устройства повышается при размещении шлюзовой камеры 2 между двумя реакционными блоками 1 одинаковой конструкции (см. фиг.2), что позволяет завершать перегрузочные операции за время технологического цикла в одном из реакционных блоков.

При проведении отжига в водороде или осаждении слоев из газовой фазы устройство, изображенное на фиг.1-4, работает в следующей последовательности. Исходное состояние - приемная кассета 6 внизу пустая, загрузочная - вверху с пластинами 9, в шлюзовой камере 2 и реакционном блоке 1 нет пластин 9, манипулятор 8 с платформой 35 в нижнем положении, крышка 33 уплотняет кольцо 32, излучатель (или излучатели) 11 находятся в зоне ожидания 20 в разогретом до рабочей температуры состоянии и закрыт экранами 21, фланец 22 с реактором 10 уплотнен с корпусом 25. Включается механизм 53, обеспечивая пошаговое перемещение загрузочной кассеты 6 вниз, при этом обеспечивается перемещение пластины 9 по лотку 51 в зону взаимодействия с манипулятором 8 за счет подачи азота в направленные в сторону манипулятора 8 отверстия 52. Включается вакуумная откачка из упоров 44 платформы 35, что обеспечивает фиксацию пластины 9 по периметру ее рабочей поверхности на участках до 3 мм от края, после чего шток 48 перемещается в пневмоцилиндр 49, который поворачивается после этого на 180о и возвращает шток 48 в исходное состояние, уплотняя платформой 35 шлюзовую камеру 2. После отключения вакуумной откачки из упоров 44 шток 40 захватов 34 уходит в верхнее положение и рычаги 37 фиксируют пластину 9 в положение удержания под крышкой 33 механизма перегрузки 4, одновременно с этим объем шлюза продувается водородом. Отжимается пневмоприжим 45, а с помощью вилок 26 реактор 10 поднимается в верхнее положение. Механизмом перегрузки 4 крышка 33 с удерживаемой пластиной 9 перемещается через разъем между реактором 10 и корпусом 25 в реакционный блок 1, а после разжимания схватов 34 пластина 9 опускается на подложкодержателе крышка 35 возвращается в шлюз 2 в исходное состояние и уплотняется пневмоприжимом 45. Далее в реакционном блоке 1 начинается технологический процесс: продувка газом-носителем через устройства 28, 29 и нагрев пластины 9 до рабочей температуры путем открывания экранов 21 и опускания излучателя 11 в рабочее положение. По мере приближения излучателя 11 к пластине 9 плавно возрастает тепловой поток (за счет изменения расстояния и значительной тепловой инерции излучателя, в рабочем режиме), причем наличие нескольких кольцевых тепловых зон позволяет получать высокую однородность нагрева пластины ( ± - 3^оС по полю пластины) и стабильные воспроизводимые условия термообработки ( ± - 1^оС на излучателе 11). После газотермической обработки пластины 9 (хлористый водород, парогазовая смесь или водород - при отжиге) горячий излучатель 11 отводят в зону ожидания 20 и закрывают экранами 21, обеспечивая плавное охлаждение пластины 9 с 1200^оС до 600-700^оС за 20-30 с, после чего реактор 10 поднимается в верхнее положение, отжимается пневмоприжим 45 и крышка 33 с отжатыми захватами 34 перемещается через разъем между реактором 10 и корпусом 25 в реакционный блок 1, где с помощью захватов 34 снимает пластину 9 с подложкодержателя 31 и, возвратившись в шлюз 2 в исходное состояние, освобождает пластину от захватов 34 и опускает ее на упоры 44. После продувки шлюза 2 азотом включается вакуумная откачка из упоров 44 платформы 35, которая с помощью пневмоцилиндра 48 опускается и поворачивается на 180о, выдвигается в крайнее положение с последующим отключением вакуумной откачки и перегрузкой обработанной пластины 9 на лоток 51 и далее - в приемную кассету 6. После перемещения кассет 6 на одну позицию повторяется работа устройства в описанной последовательности. Технологический процесс может проводиться и при пониженном давлении (вакууме) в реакционном блоке. В этом случае давление в герметичном объеме под кожухом 18 поддерживается на уровне давления в реакционном объеме, что гарантирует целостность кварцевого реактора 10, имеющего плоскую форму. Аналогично возможно проведение процесса и при повышенном давлении, например в ампульном процессе без протока газа через реактор, что позволит реализовать проведение эпитаксиального наращивания кремния по йодидной технологии. При осаждении эпитаксиальных слоев кремния целесообразно поддерживать реактор в исходном состоянии для снижения уровня дефектности и постоянства электрофизических параметров наращиваемых слоев. Это достигается введением дополнительной операции травления кварцевого реактора без пластины. При наличии одного реакционного блока 1 данная операция проводится во временном интервале операций: с выгрузки обработанной пластины 9 из реакционного блока 1 в шлюзовую камеру 2 по загрузку необработанной пластины 9 в шлюз 2 включительно. Она сводится к нагреву до 1000оС кварцевого реактора в среде хлористого водорода и остывания до 700оС в среде водорода. Далее в реакционный блок загружается пластина 9 для проведения технологического процесса. Для двух реакционных блоков 1 циклограмма работы устройства строится из учета травления реактора 10 в одном блоке 1 и осаждения - в другом и далее наоборот. Для прототипа данная операция неприемлема из-за негерметичности реакционного блока и возможности загрязнения перегрузочной камеры.

По сравнению с прототипом обеспечивается увеличение на 20-30% скорости нагрева и охлаждения пластины при условии равномерности ее нагрева и воспроизводимости температурного режима обработки. Это достигается за счет локального теплового воздействия излучателя 11 на пластину 9, так как они имеют идентичные размеры и в рабочем состоянии находятся в тепловом контакте, когда пластина 9 становится как бы частью излучателя 11. Воспроизводимость режимов нагрева и охлаждения достигается использованием излучателя 11 с стабилизированным тепловым потоком и массой в десятки раз превышающий массу пластины 9. Быстрое охлаждение пластины 9 в диапазоне 1200-700оС обеспечивается за счет удаления излучателя 11 в зону ожидания 20 и отсутствия обратного лучистого потока на пластину 9 от экранов 21 и кожуха 18, в диапазоне 700-100оС, за счет размещения пластины 9 в контакте с крышкой 33 и платформой 35. С учетом сокращения времени на нагрев и охлаждение пластины производительность устройства увеличивается в 1,2-1,3 раза для однореакторной системы и в 1,5-2 раза (в зависимости от длительности процесса) - для двухреакторной.

По сравнению с прототипом обеспечиваются условия, обеспечивающие повышение качества осаждаемых слоев. Повышение равномерности нагрева пластины позволяет уменьшить термонапряжение и как следствие - коэффициент заполнения линиями скольжения до величины 0,05-0,1 за счет герметичности реакционного блока 1, периодического травления стенок реактора 10, ориентации пластины 9 рабочей поверхностью вниз снижается плотность точечных дефектов до величины 0,1 см-2. Это позволяет повысить выход годных структур в технологии производства как дискретных структур так и СБИС.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ОСАЖДЕНИЯ СЛОЕВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ, содержащее реакционный блок, включающий кварцевый реактор с излучателем и уплотняющий его с возможностью разъема корпус с подложкодержателем для размещения пластины и устройствами подачи и отвода газов и состыкованную с блоком перегрузочную камеру, включающую механизм перегрузки и шлюзовую камеру с уплотняющей крышкой на форме обрабатываемой пластины, отличающееся тем, что устройство снабжено герметичным кожухом для размещения излучателя, выполненного по форме пластины и установленного соосно с пластиной с возможностью перемещения относительно нее, охлаждаемым экраном, установленным с возможностью перемещения, при этом крышка шлюзовой камеры снабжена захватами для фиксации пластины и состыкована с механизмом перегрузки с возможностью перемещения через разъем в реакционном блоке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус неподвижно закреплен на перегрузочной камере, а реактор установлен с возможностью перемещения и герметично состыкован с перегрузочной камерой через мембрану.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что корпус снабжен реактором с кожухом и размещенным в нем излучателем, выполненным по форме обрабатываемой пластины и установленным соосно с пластиной с возможностью перемещения, и охлаждаемым экраном, установленным с возможностью перемещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4