УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ СЛОЕВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ Российский патент 1994 года по МПК C30B25/14 

Изобретение относится к технологическому оборудованию для осуществления процессов получения пленочных полупроводниковых материалов, в частности к устройствам для газофазного наращивания эпитаксиальных слоев полупроводниковых соединений А³В⁵.

Эпитаксиальное наращивание с использованием металлоорганических соединений и гидридов при пониженном давлении в реакционной камере является универсальным методом для получения гомо- и гетероэпитаксиальных структур полупроводниковых соединений А³В⁵ с квантово-размерными эффектами.

Особенности конструкций эпитаксиальных установок для получения гетероструктур определяются особенностями их технологии.

Известно устройство для выращивания кристаллов из газовой фазы в проточной газовой системе [1] , содержащее металлический корпус, в котором вертикально размещена цилиндрическая кварцевая реакционная камера, снабженная снаружи нагревателями. Внутри камеры соосно с ней на вращающейся оси установлен полый цилиндрический держатель подложек. Крепление подложек предусмотрено на внутренней поверхности подложкодержателя в его центральной части. В центре держателя размещена газоподводящая трубка, укрепленная с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси держателя.

Однако известное устройство имеет ряд существенных недостатков. Конструкция ввода газовой смеси не позволяет обеспечить требуемое постоянство потока газовой смеси в зоне осаждения слоев, поскольку возвратно-поступательное движение ввода вызывает циклическое изменение газового потока, что, вызывает изменение плотности концентрации газового потока в зоне расположения подложек и, как следствие, нарушение однородности параметров получаемых структур.

Известно устройство для наращивания эпитаксиальных слоев [2] , содержащее реактор, внутри которого установлен подложкодержатель в виде полой многогранной призмы с размещенными на внутренней ее поверхности подложками.

Однако известное устройство имеет ряд существенных недостатков, т. к. не обеспечивает высокое качество и однородность слоев, поскольку газовый поток, подаваемый сверху, проходит вдоль подложек и в нижнюю часть реактора приходит уже обедненным. Преждевременное обеднение газовой смеси приводит к нарушению однородности толщины слоев на подложках, размещенных в нижней части подложкодержателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для осаждения слоев из газовой фазы [3] , содержащее вертикальную реакционную камеру с размещенным в центре камеры и соосно с ней протяженным цилиндрическим вводом газовой смеси, по всей длине которого выполнены отверстия. Расположенные горизонтально в несколько ярдов подложки крепятся на подложкодержателе, окружающем упомянутый ввод. Снаружи подложкодержатель охватывает полый цилиндр, также снабженный отверстиям. Отверстия на вводе и цилиндре размещены рядами, расположение которых соответствует промежуткам между рядами подложек.

Выполнение ввода газовой смеси в виде протяженного цилиндра с отверстиями позволяет избежать обеднения газовой смеси по глубине реактора, так как все подложки находятся на равном расстоянии от подложкодержателя. Наличие окружающего ввод полого цилиндра, снабженного отверстиями в области, соответствующей размещению подложек, способствует улучшению обтекания последних потоком газовой смеси, хотя при этом и не исключается образование застойных зон.

Однако при характерном для известного устройства расположении подложек поток газовой смеси проходит параллельно поверхности подложек, что не является оптимальным по отношению к однородности осаждения. В этом случае различные точки на поверхности подложки расположены на разных расстояниях от газового ввода и, в результате обеднения газового потока, проходящего над поверхностью подложки, наблюдается неоднородность (различная скорость) роста эпитаксиального слоя по ее площади.

Серьезно ухудшает условия протекания эпитаксиального процесса и наблюдающееся в известном устройстве отражение газового потока от основания реактора, нарушающее ламинарность этого потока.

Целью изобретения является повышения однородности и воспроизводимости параметров слоев за счет оптимизации условий наращивания.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для осаждения слоев из газовой фазы при пониженном давлении, содержащем реактор вертикального типа, состоящий из колпака, снабженного средствами для подачи водорода, и горизонтального основания, снабженного средствами для отвода газов, причем внутри реактора соосно с ним установлены центральное средство для ввода газовой смеси, на участке которого, соответствующем размещению подложек, выполнены отверстия, и окружающий это средство для ввод полый цилиндр, также снабженный сквозными отверстиями, над перфорированным цилиндром на расстоянии h= (0,1-0,12)d от его верхнего края и соосно с ним размещен круглый экран диаметра D= (0,9-1,1)d, где d - внутренний диаметр цилиндра, на внутренней поверхности цилиндра закреплены подложки, в основании реактора выполнена полость площадью не менее горизонтального сечения реакционной камеры, отделяемая от последней перегородкой с отверстиями и соединенная средствами для отвода газов, причем отверстия на средстве ввода газовой смеси перегородке и свободной от подложек части цилиндра распределены равномерно, а S_o>S_п>S_в, где S_o - суммарная площадь отверстий на перегородке, S_п - суммарная площадь отверстий на подложкодержателе, S_в - суммарная площадь отверстий на газовом вводе.

Схематичное изображение заявленного устройства представлено на чертеже. Устройство вертикального типа содержит съемный колпак 1 и основание 2. Колпак снабжен средствами 3,4 ввода газа в реактор, а основание 2 средствами 5 для вывода газов. В основании 2 выполнена полость 6, отделяемая от реакционной камеры перфорированной перегородкой 7, снабженной отверстиями и со единенной со средствами для вывода газовой смеси 5. Внутри реактора соосно с ним размещено средство для ввода газовой смеси 8, а также укрепленный коаксиально ему на вращающемся вертикальном штоке 9, проходящем через основание 2, полый перфорированный цилиндрический подложкодержатель 10 с подложками 11, размещенными на его внутренней поверхности. Сверху над подложкодержателем вблизи него горизонтально установлен сплошной экран 12. Реактор снабжен нагревателем 13 и водоохлаждаемым кожухом 14. Основание реактора снабжено кольцевыми полостями 15,16 на фланце реактора и ввода вращения 9 подложкодержателя 10.

Устройство работает следующим образом. Как уже упоминалось, предложенное устройство предназначено для наращивания эпитаксиальных слоев полупроводниковых материалов соединений А³В⁵ с использованием металлоорганических соединений и гидридов. Поток водорода через средство 4 проходит над горизонтальным экраном 12, ограничивающим сверху внутреннюю полость подложкодержателя 10. Основная часть потока водорода устремляется вниз вдоль нагретой стенки реактора, захватывая неконтролируемые примеси, вылетающие с горячей поверхности стенок реактора и унося их за его пределы. Этот же поток захватывает прореагировавшую газовую смесь, проходящую через отверстия в подложкодержателе, и, тем самым, исключает образование застойных зон и обедненных областей в реакционном объеме;
В имеющийся зазор между экраном 12 и верхним краем подложкодержателя 10 в его внутреннюю полость также проходит часть потока водорода (меньшая), которая и участвует в эпитаксиальном процессе в качестве газа-разбавителя. Этот газовый поток является также подпирающим потоком и не позволяет газовой смеси под действием тепловой конвекции подниматься вверх и тем самым заставляет поток газовой смеси перемещаться горизонтально от средства для газовой 8 до подложки 11.

Оптимальное соотношение потоков водорода, текущего вдоль стенки реактора и поступающего во внутреннюю полость подложкодержателя, подобрано экспериментально: 2/3 расхода водорода направляется вдоль стенок реактора, 1/3 - в полость подложкодержателя. Для обеспечения выполнения этого соотношения диаметр экрана 12 должен составлять (0,9-1,1)d, где d - диаметр подложкодержателя 10, а размещаться экран должен на расстоянии 0,1-0,12d от его верхнего края. Оптимальные соотношения размеров конструктивных элементов устройства (экрана и подложкодержателя) и их взаимное расположение было подобрано опытным путем.

Наличие в основании 2 полости 6 площадью не менее сечения (горизонтального) реакционной камеры, отделяемой от последней перфорированной перегородкой 7, соединенной средствами для вывода газов, обусловливает выравнивание скоростей потока водорода и газовой смеси, что позволяет эффективно выносить обработанные реагенты из реакционного объема. Благодаря этому не создается застойных зон, исключается отражение газового потока от основания реактора.

Выполнение условия S_o>S_п>S_в при равномерном распределении отверстий на перегородке, на вводе и на свободной от подложек части подложкодержателя необходимо для того, чтобы обеспечить эффективный обмен газовой среды в зоне расположения подложек.

П р и м е р. На подложкодержатель 10 диаметром 130 мм помещают полупроводниковые подложки 11 диаметром 60 мм, закрывают реактор и объем реактора через штуцеры 3,4 продувают азотом и откачивают до необходимого давления (если это предусматривается регламентом эпитаксиального процесса), также откачивают до необходимого давления кольцевые полости 15,16 на фланце реактора и ввода вращения подложкодержателя, для того, чтобы исключить нежелательное попадание атмосферного воздуха в объем реактора. Включают нагреватель 13. В случае получения структур полупроводниковых соединений А³В⁵ при достижении температуры в реакторе 350^оС в объем реактора подают гидрид элемента V группы.

При достижении температуры эпитаксиального процесса и рабочего давления через штуцер 3 подают парогазовую смесь, а через штуцер 4 - разбавляющий водород и одновременно начинают вращать подложкодержатель 10 через шток 9. Газовая смесь через штуцер 3 попадает в средство 8 диаметром 70 мм и через отверстия диаметром 2 мм попадают в объем подложкодержателя, причем поток газовой смеси направлен перпендикулярно плоскости подложек (в этом случае условия осаждения наиболее благоприятны). Кроме того, сокращается путь парогазовой смеси от газового ввода до подложки, что снижает объемное разложение металлоорганических соединений и позволяет использовать меньшие скорости потока. Через штуцер 4 подается водород, который разбавляет газовую смесь и служит в качестве реагента. Подложкодержатель 10 ограничен в верхней части экраном 12 диаметром 150 мм, который размещен на расстоянии 13 мм от верхнего края подложкодержателя. Поток водорода разделяется на две части: одна часть устремляется в зазор, образованный корпусом реактора и подложкодержателем, и служит для эффективного захвата и уноса за пределы реактора отработанных реагентов, этот поток также экранирует горячую стенку реактора, которая может являться источником неконтролируемых примесей; другая часть потока, проходя через зазор между экраном 12 и подложкодержателем 10, попадает в полость подложкодержателя и подавляет восходящий конвективный поток газовой смеси и тем самым формирует поток газовой смеси, перпендикулярный поверхности подложек.

Отработанные реагенты проходят через перфорированную перегородку 7 в полость 6 и удаляются за пределы реактора. Таким образом, обеспечиваются равновероятные условия роста слоев на подложке во всех ее точках, что является предпосылкой повышения воспроизводимости процесса и однородности параметров слоев по площади подложки.

После окончания процесса эпитаксии прекращают подачу в реактор газовой смеси. Нагрев также прекращают. При охлаждении реактора до 350^оС прекращают подачу гидрида элемента V группы, а при охлаждении реактора до 50^оС прекращают подачу водорода. Реактор продувают азотом, давление в реакторе и кольцевой полости 15 доводят до атмосферного, после чего реактор разгружают.

Таким образом, конструкция заявленного устройства позволяет значительно повысить воспроизводимость и однородность параметров получаемых структур, что подтверждается представленным протоколом испытаний.

Предложенное устройство обладает широкими техническими возможностями и может быть использовано для получения структур широкого класса полупроводниковых материалов и осуществления различных методов эпитаксиального наращивания.

Предлагаемое устройство для осаждения слоев из газовой фазы может эффективно использоваться в промышленном производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем.

(56) 1. Заявка Японии N 55-51878, кл. С 30 В 25/00, 1980.

2. Авт. св. N 1358489, кл. С 30 В 25/08, 1985.

3. Заявка Японии N 63-300512, кл. Н 01 L 21/205, 1989.

Относится к устройствам для газофазного наращивания эпитаксиальных слоев полупроводниковых соединений типа A³B⁵. Устройство содержит реактор вертикального типа. В верхней части реактора выполнены средства для ввода водорода и газовой смеси. Средство для ввода газовой смеси выполнено в виде перфорированного патрубка, размещенного по оси реактора и в его полости. Коаксиально патрубку установлен полый перфорированный цилиндр, на внутренней поверхности которого размещены подложки. Над перфорированным цилиндром установлен экран в форме диска. В основании реактора выполнена полость, отделенная от реакционного объема перфорированной перегородкой и сообщающаяся со средствами вывода газов. Даны соотношения, определяющие размеры и расположение экрана, и соотношения суммарных площадей отверстий в цилиндре, перегородке и патрубке. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ СЛОЕВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ пpи пониженном давлении, содеpжащее веpтикальный pеактоp, имеющий гоpизонтальное основание и установленный на нем колпак, снабженный сpедством для ввода водоpода и сpедством для ввода газовой смеси в фоpме патpубка, pазмещенного в полости pеактоpа по его оси и имеющего отвеpстия на боковой повеpхности для подачи газовой смеси к повеpхности подложек, сpедства для вывода газов, выполненные в основании pеактоpа, и установленный коаксиально патpубку полый пеpфоpиpованный цилиндp, отличающееся тем, что, с целью повышения одноpодности и воспpоизводимости паpаметpов слоев за счет оптимизации условий наpащивания, над полым пеpфоpиpованным цилиндpом на pасстоянии h = (0,1 - 0,12)d от его веpхнего тоpца соосно установлен экpан в фоpме диска, имеющий диаметp D = (0,9 - 1,1)d, где d - внутpенний диаметp полого пеpфоpиpованного цилиндpа, в основании pеактоpа выполнена полость, отделенная от pеакционного объема пеpфоpиpованной пеpегоpодкой, имеющая площадь не менее площади гоpизонтального сечения pеактоpа и сообщающаяся со сpедствами для вывода газов, подложки pазмещены на внутpенней повеpхности полого пеpфоpиpованного цилиндpа, а отвеpстия на боковой повеpхности патpубка, в пеpегоpодке и на свободной от подложек повеpхности полого цилиндpа pаспpеделены pавномеpно, пpичем суммаpная площадь отвеpстий в полом цилиндpе меньше суммаpной площади отвеpстий в пеpегоpодке и больше суммаpной площади отвеpстий в патpубке.