CN101351578A

CN101351578A - 不同温度反应室

Info

Publication number: CN101351578A
Application number: CNA2006800496320A
Authority: CN
Inventors: 杰安卢卡·瓦伦特; 吉亚科莫·尼克劳·麦考利; 丹尼罗·克里帕; 弗兰科·佩雷蒂
Original assignee: LPE SpA
Current assignee: LPE SpA
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2009-01-21
Also published as: ITMI20052498A1; WO2007088420A3; EP1966414A2; KR20080079263A; US20100037825A1; JP2009522766A; RU2008121715A; WO2007088420A2

Abstract

本发明涉及用于外延反应器的反应室(1)，反应室(1)设置有限定内腔(10)的壁，具体为下壁(3)和上壁(2)以及至少两个侧壁(4、5)；下壁(3)和上壁(2)具有不同的构造和/或由不同材料制成；这使得下壁(3)将被加热到比上壁(2)高的温度。本发明还涉及用于加热反应室的方法。

Description

不同温度反应室

技术领域

本发明涉及用于外延反应器的反应室，并且涉及用于加热反应室的方法。

背景技术

用于微电子应用的外延反应器被设计用于在基片上非常平稳且均匀地沉积薄层材料(通常是半导体材料)(该过程常常称为“外延生长”)；通常，沉积之前和之后的基片被称为“晶片”。

所述沉积典型地通过CVD[化学气相沉积]工艺在反应室的内(反应)腔中在高温下发生。

众所周知，在外延反应器的领域中，反应室基本上分为两种主要类型：“冷壁”室和“热壁”室；这些术语本质上指的是发生外延沉积过程的腔的表面温度。

在沉积过程中，材料同时沉积在基片和内腔表面，即，同时沉积在基片和反应室壁的面对内腔的一侧上；由于在高温下材料更容易且更快速地沉积，因此对于热壁反应器尤其如此。

在每个过程期间，新的薄层材料沉积在室壁上；在几个过程之后，这些壁变成涂布有厚层材料。

该厚层材料改变了反应室的反应腔的几何结构，从而影响反应气体的流动，并且因此影响随后的生长过程。

此外，所述厚层材料并不是很致密，并且趋向于变粗糙；实际上，反应腔的表面不具有基片表面那样的品质，从而在反应腔的表面上生长的材料不是单晶体，而是多晶体。由此得出，在进一步的生长过程期间，小的颗粒可能从所述厚层脱落并且落到正在生长的基片上，从而损坏基片。

目前，用于微电子工业的最常见的半导体材料是硅。非常有前途的材料是碳化硅，尽管碳化硅尚未广泛用于微电子工业中。

具有微电子工业所需的高品质的碳化硅的外延生长需要非常高的温度，即，高于1,500℃的温度(典型地在1,500℃与1,700℃之间，优选地在1,550℃与1,650℃之间)，因此该温度比硅的外延生长所需的通常在1,100℃与1,200℃之间的温度高得多。具有热壁反应室的外延反应器特别适合于获得该高温。

因此，用于沉积碳化硅的外延反应器对于在反应室壁上沉积材料的问题特别敏感。另外，碳化硅是不论用机械方法还是化学方法都特别难以去除的材料。

根据为解决该问题而典型地采用的解决方案，定期地从反应器拆下反应室并且以机械方法和/或化学方法加以清洗；该操作很费时间，因而意味着反应器必须保持长时间地不工作；除此之外，该清洗操作进行一定次数之后，反应室必须被废弃或者处理。

根据最近提出的解决方案，通过以高温加热反应室并且让适当的气体流经该反应室来进行反应室的清洗过程(无需拆下反应室)；例如，可以在正常生产过程(装载、加热、沉积、冷却、卸载)进行一定次数之后进行该清洗过程。

发明内容

申请人已经注意到本领域中已知的解决方案采用“补救”法，即，在材料已经沉积之后去除不想要的材料，并且申请人已经想到可以采用“预防”法来代替，即，避免不想要的材料沉积。

本发明的总的目的是通过采用“预防”法来提供上述问题的解决方案。

通过具有独立权利要求1所述的特征的外延反应器用反应室以及通过具有独立权利要求15所述的功能的外延反应器的反应室的加热过程来充分实现该目的；在从属权利要求中说明了反应室及方法的其它有利方面。

本发明基于使反应室壁的温度不同、从而使反应腔的温度不同的想法。

当然，本发明不一定排除对拆下的或者未拆下的反应室进行任何清洗操作，但是本发明显著地减少了清洗操作的需求和/或频率。

附图说明

通过以下说明和附图，本发明将变得更明显，其中：

图1是根据本发明的反应室的第一实施例的示意性剖视图，

图2是根据本发明的反应室的第二实施例的示意性剖视图，

图3是根据本发明的反应室的第三实施例的示意性剖视图，

图4是根据本发明的反应室的第四实施例的示意性剖视图，

图5是图3的反应室的示意性纵向视图。

具体实施方式

本说明书和上述附图仅是解释性因而非限制性的例子；此外，应该考虑到所述附图是示意性的并且简化的。

在所有的图中，反应室示出为配置在其工作状态下，即，当反应室已经插入外延反应器(未示出)中并且可以处理基片时；特别地，反应器是用于沉积碳化硅层的外延反应器。

在对各种实施例的说明中，将使用相同的附图标记来表示等同的部件。

图1示出组件的例子，该组件由以下组成：反应室，整体由附图标记1表示；壳，整体由附图标记6表示，其包围室1；以及管，由附图标记7表示，其包围壳6。

室1在水平方向上均匀地延伸，并且由四个壁组成：上壁2、下壁3以及两个侧壁，具体地，左侧壁4和右侧壁5。当这四个壁2、3、4、5接合在一起时，这些壁限定内反应腔10。

管7具有圆形截面并且由石英(即惰性的且耐高温的材料)制成。壳6具有基本上为管状的主体，具有圆形截面，并且被插在管7中；壳6由纤维石墨或者多孔石墨(即绝热且耐高温的材料)制成。反应室基本上为圆筒状，并且被插在壳6中，使得该反应室的壁保持接合在一起。下壁3的外形具有半月形截面；上壁2的外形具有被切(cut)的半月形截面；这两个壁都是空心的，其腔位于中央，并且两个壁具有基本上恒定的厚度(因而壁3的腔31具有半月状，而壁2的腔21具有被切的半月状)；壁2的腔21比壁3的腔31小。由于上壁2被切，因此在上壁2与壳6之间限定空间8。壁4和5基本上相等，并且具有基本上矩形的截面(在一边具有轻微凸状，与壳6配合)；侧壁4和5搁在下壁3上并且支撑上壁2；还可具有例如小的突起和/或凹部(未示出)，以确保这些壁的精确且正确的相互定位。腔10具有矩形截面，并且相当矮且宽。反应室的壁2和3由石墨制成(如此设置为导电、导热且耐高温的材料)；可以在这些壁上、特别是在面对腔10的侧上设置保护性涂层(典型地由SiC或者TaC制成)。反应室的壁4和5可以优选由碳化硅制成(如此设置为耐高温、导热并且电绝缘的材料)；作为碳化硅的替代物，可以使用氮化硼来代替；所述壁也可以由涂有例如厚层碳化硅的石墨制成，以保持壁2和3彼此电绝缘。

在以本申请人名义的专利申请WO2004/053187和WO2004/053188中已经详细地说明了与图1类似的组件，这里应当参考这些专利申请。

图2的反应室与图1的反应室的不同之处在于，上壁2的外形具有被切的半月形截面，但不是空心的。

图3的反应室与图1的反应室的不同之处在于，上壁2的形状基本上为平板状；从而在上壁2和壳6之间限定大的空间8。

图4的反应室与图1的反应室的不同之处在于，上壁2的形状基本上为凸板状，并且基本上与壳6邻接；因此，腔10不再具有矩形截面(如在图1的例子中那样)，而是具有底部为平的而顶部为圆形的截面。

在图1、图2和图3的例子中，空间8保持为空；另一选择是，空间8可以全部地或者部分地由绝热材料(例如纤维石墨或者多孔石墨)填充，但是也可以通过适当地成型壳6来获得等同的效果。

在图1、图2和图3的例子中，由于壁2的顶部平坦，因此反应室(由以限定内反应室10的方式接合在一起的壁2、3、4和5的组合构成)具有基本上但不标准的圆筒状；实际上，反应室是平行于圆筒轴线地切掉一侧而形成的圆筒，特别地，按照平行于圆筒轴线的平面进行切割。在图4的例子中，反应室的形状是完整的圆筒状。

对于附图所示的所有上述组件，典型地存在一个或者多个感应器，该一个或者多个感应器缠绕管7，并且用于通过感应来加热反应室1和反应室1的壁，特别地，加热上壁2和下壁3。

就壳6而言(如所有图解例子中所示)，除了具有管状体外，壳6还具有两个盖，具体地，前盖61和后盖62，特别地，两个盖都是圆形的。在作为图3的组件的纵向剖视图的图5中示出所述盖；应注意，图5所示的盖61和62被简化了并且不具有任何孔，但是所述孔通常存在，至少用于使反应气体进入反应腔10(从左边)以及用于使排气从反应腔10排出(从右边)。

图5示出插入下壁3的凹部中的(可转动的)基片支撑件9，使得支撑件9的顶面与壁3的顶面基本上平齐；支撑件9具有盘状形状并且具有用于容纳基片的凹处(pocket)(未示出)；支撑件9由石墨(典型地涂有SiC或者TaC层)制成，从而支撑件还被用作基片的基座(susceptor)。

为了完整，以下给出涉及图3和图5的反应室的一些尺寸说明，所述尺寸说明基本上也适用于图1、图2和图4的反应室。

反应室1沿纵轴均匀地延伸300mm的长度，并且其截面外形是直径为270mm的圆的一段(即，被切圆)；另一选择是，所述截面可以具有(可能切成的)多边形或者(可能切成的)椭圆形。腔10的截面的内部形状基本上为宽度是210mm且高度是25mm的矩形。支撑件9的形状为直径是190mm且厚度是5mm的薄盘状。侧壁4和5的厚度是5(或者10或者15)mm；上壁2的厚度是15mm；下壁3的厚度是15mm(具体地，该厚度指与腔10相邻的空心半月形区域)。

当然，上述尺寸仅是示例性的。然而，它们可用于给出本发明所考虑的反应室的尺寸的想法；实际上，每个尺寸可以小大约50％以及大大约100％，但是记住，在上述尺寸上直接地乘以比例因子是不合适的。

如前所述，本发明是基于使反应室壁的温度不同、因而使反应腔的温度不同的想法。

总体上，根据本发明的方法涉及设置有限定所述反应室的壁的外延反应器的(热壁)反应室，其中，至少一个或者仅一个第一室壁被加热得少于第二室壁。在图解的例子中，较冷的壁是上壁2，而较热的壁是下壁3；侧壁4和5的影响不是特别重要。

特别地，根据本发明，至少一个或者仅一个第一室壁被加热得少于任何其它室壁。

根据上述原理，在所述较冷的壁上材料将生长得较少，因此所述壁将不易经受颗粒脱落；当然，应该适当地选择较冷的壁。

在许多外延反应器中，通过反应室的基本上水平的下壁(直接地或者间接地)支撑基片，并且所述基片直接位于反应室的上壁的下方。因此，从上壁脱落的任何颗粒将很可能落在下面的其中一个基片上，从而导致损坏生长层；即使当室内的气流基本上平行于上壁和下壁二者时(如图解的例子)也是如此。在该情况下，优选地较热的壁是下壁，从而基片变得非常热，并且较冷的壁是上壁，从而限制了由于材料沉积而造成的生长。

值得指出的是，例如通过参照图5，基座9的上游和下游的下表面部具有比基座9低的温度，这是由于基座9的上游和下游的下表面部的位置分别靠近气体入口和气体出口(其导致减少生长)；另外，从基座9的下游部(即右边)脱落的任何颗粒最终直接进入气体出口，因此不会引起任何损坏；最终，从基座9的上游部(即左边)脱落的任何颗粒趋向于被反应气流携带，并且不会落到在基座9中或者基座9上容纳的基片上。

在碳化硅用外延反应器中，即在高温下工作的反应器中，最佳的加热方法是感应加热；所有图解的例子被构思成用于该加热方法。

根据本发明的第一可能在于提供室壁用的单一加热装置以及在于提供具有至少第一构造和第二构造的壁；第一构造和第二构造的彼此不同之处在于，第一构造被加热得少于第二构造。这是在图解的例子中采用的解决方案；实际上，在图1的例子中，构造的差异涉及壁(2、3)的尺寸(及形状)以及壁(2、3)的腔(21、31)的尺寸；在图2的例子中，构造的差异涉及壁(2、3)的尺寸(及形状)以及腔的存在/不存在；在图3和图4的例子中，构造的差异涉及壁部的形状。

根据本发明的第二可能在于提供第一加热装置和第二加热装置，其中第一加热装置用于加热至少或者仅仅第一壁，而第二加热装置用于加热第二壁或者所有其它室壁。

然而，所述第二可能不排除使用具有至少第一构造和第二构造的壁，第一构造和第二构造彼此不同，特别地，使得第一构造被加热得少于第二构造。

图1的解决方案或者类似的解决方案、即包括带有通孔的两个壁也可以有利地用于通过另一物理现象获得不同加热；可以使冷却气体、优选地氢气或者氦气流经两个通孔，从而通过控制一个或者两个气流来控制两个壁的温度。当然，该解决方案也可以应用到更多数量的带有通孔的壁。

总体上，除了使用不同的构造或者作为使用不同的构造的替代，通过对室壁使用不同的材料也可以获得不同的加热。

根据上述说明，重要的是为反应室壁选择最适当的温度。

现在值得明确的是，在外延生长过程期间，总体上，起先将温度提高到最大值，其后对于沉积时间保持所述最大值，然后降低到例如100℃-200℃。

根据本发明，将第一壁加热到第一最高温度，并且将第二壁加热到第二最高温度，即两个壁的最高温度不同。

关于第一壁(通常为下壁，其上直接地或者间接地放置基片)，最高温度在1,500℃与1,650℃之间，该区间温度对于生长薄层碳化硅是理想温度。

关于第二壁(通常为基片上方的壁)，最高温度优选地比第一壁的温度低150℃至300℃。

当然，将进行试验以确认取决于室的形状和尺寸以及根据所用的工艺的最佳条件。

通常，根据本发明的反应室用于外延反应器，并且设置有(当被接合在一起时)限定内腔的壁，具体地，下壁和上壁以及至少两个侧壁；下壁和上壁具有不同的构造和/或由不同的材料制成；这使得两个壁被不同地加热，从而达到不同的温度。

当室处于工作状态时下壁和/或上壁基本上水平。

优选地，当室处于工作状态时侧壁基本上竖直。

应由特别地为一个或者多个元件形式的绝热材料全部地或者部分地从外部包围室壁；用于这些应用场合的典型的材料是多孔石墨和纤维石墨。

根据本发明的反应室的非常有利的形状是基本上圆筒形，当室处于工作状态时圆筒轴线基本上水平；这是附图中所示的所有例子的情况。然而，也可以考虑椭圆形截面筒或者棱柱(可能切成的)。

在该情况下，优选地，内腔可以沿圆筒轴线定位并且具有基本上矩形(优选矮且宽)的截面，并且沿圆筒轴线基本上一致；这是图1、图2和图3的例子的情况。

下壁的特别有利的形状是基本上类似空心半月的形状，如同附图中所示的所有例子的情况；在专利申请WO2004/053187和WO2004/053188中包括关于该形状的一些评论，这里应当参考这些专利申请。

就上壁而言，在基本上类似平板或者凸板、以及完整的或者被切的实心的或者空心的半月的形状可以达到良好结果。

采用空心的不同加热/温度的壁(如同图1的特定的例子)的解决方案值得特别注意；在该情况下，可以以下壁具有第一腔而上壁具有第二腔的方式设置壁；第一腔和第二腔可以具有不同的尺寸，特别地具有不同的截面。

如前所述，涉及壁的构造和材料选择的目的是对壁自身典型地通过感应产生不同的加热；特别地，目的是典型地通过感应将下壁加热到比上壁高的温度。

用于外延反应器的、特别地用于生长碳化硅层用的热壁外延反应器的有利的解决方案是使用石墨制造腔壁，并且为腔壁、特别是下壁和/或上壁设置由SiC[碳化硅]或者TaC[碳化钽]或者NbC[碳化铌]或者其合金制成的涂层(至少在面对反应腔的一侧)。

如上确定的根据本发明的加热方法和如上确定的根据本发明的反应室具体地被单独地或者组合地用于外延反应器，特别地用于感应加热型的外延反应器。

当使用感应加热时，一个或者几个感应器通过电磁波向室壁传递能量；室壁(尤其导电材料制成的室壁)中的该电磁波通过电磁感应产生电流；在室壁中，这些电流通过焦耳效应产生热；该热部分地散失到外部环境(通过附图的例子中的壳6和管7)并且部分地传递到室的内反应腔(附图的例子中的腔10)。在静止状态下，室的温度保持恒定，并且由一个或者几个感应器传递的能量全部作为热量散失到反应室外部的环境。

从感应器向反应室壁传递能量取决于各种因素，这些因素有：流经感应器的电流的强度和频率、壁的电阻和导磁率、感应器的形状和尺寸、壁的形状和尺寸、壁的外周长。

根据这些考虑，为了实现本发明的目的，可以以如下三种方式来使反应室壁的温度不同：

A)上壁的外周长比下壁的外周长短，或者

B)上壁的外周的面积比下壁的外周的面积小，或者

C)A和B二者。

当设计根据本发明的反应室时，必须考虑的事实是在壁中感应的电流趋向于流向壁的外周；对于石墨，大部分电流局限在8-10mm的周层(perimeter layer)内(15mm的设计值确保了考虑到所有电流)；由此得出使用薄壁(例如薄于10mm)将不利于在感应器与壁之间传递能量。

加热方法和反应室的优点对于用于碳化硅外延生长过程的反应器特别重要。

Claims

1.一种反应室，其用于外延反应器，该反应室设置有限定内腔的壁，具体为下壁和上壁以及至少两个侧壁，其特征在于，所述下壁和所述上壁具有不同的构造和/或由不同材料制成。

2.根据权利要求1所述的反应室，其特征在于，当所述反应室处于工作状态时，所述下壁和/或所述上壁基本上水平。

3.根据权利要求1或2所述的反应室，其特征在于，当所述反应室处于工作状态时，所述侧壁基本上竖直。

4.根据权利要求1或2或3所述的反应室，其特征在于，由特别地为一个或者多个元件的形式的绝热材料全部地或者部分地从外部包围室壁。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的反应室，其特征在于，所述反应室的形状是基本上圆筒状，当所述反应室处于工作状态时，所述圆筒的轴线基本上水平。

6.根据权利要求5所述的反应室，其特征在于，沿所述圆筒的轴线布置所述内腔，并且所述内腔具有基本上矩形并且沿所述圆筒的轴线基本上一致的截面。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的反应室，其特征在于，所述下壁的形状是基本上空心半月状。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的反应室，其特征在于，所述上壁的形状是基本上板状。

9.根据权利要求1至7中的任一项所述的反应室，其特征在于，所述上壁的形状是基本上半月状。

10.根据权利要求1～9中的任一项所述的反应室，其特征在于，所述下壁具有第一腔，并且所述上壁具有第二腔，所述第一腔和所述第二腔特别地具有不同的尺寸。

11.根据权利要求1～10中的任一项所述的反应室，其特征在于，所述上壁的外周长和/或外周面积相应地比所述下壁的外周长和/或外周面积短/小。

12.根据权利要求1～11中的任一项所述的反应室，其特征在于，所述不同的构造和/或所述不同的材料使得所述下壁和所述上壁特别地通过感应被不同地加热。

13.根据权利要求12所述的反应室，其特征在于，所述不同的构造和/或所述不同的材料使得所述下壁特别地通过感应被加热到比所述上壁高的温度。

14.根据权利要求1～13中的任一项所述的反应室，其特征在于，所述下壁和/或所述上壁由石墨制成，并且至少在面对所述内腔的一侧上涂有SiC或者TaC或者NbC或者其合金的层。

15.一种用于加热外延反应器的反应室的方法，所述反应室设置有限定所述反应室的壁，其特征在于，对所述反应室的至少一个或者仅一个第一壁的加热少于对所述反应室的第二壁的加热。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，对所述反应室的至少一个或者仅一个第一壁的加热少于对所述反应室的任何其它壁的加热。

17.根据权利要求15或16所述的方法，所述内腔具有基本上水平的下壁和基本上水平的上壁，所述下壁用于直接地或者间接地支撑基片和晶片，其特征在于，所述第一壁是所述上壁。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二壁是所述下壁。

19.根据权利要求15或16或17或18所述的方法，其特征在于，设置所述室壁用单一加热装置并且设置具有至少第一构造和第二构造的壁，所述第一构造和所述第二构造彼此不同之处在于：对所述第一构造的加热少于对所述第二构造的加热。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述加热装置是感应型。

21.根据权利要求15或16或17或18所述的方法，其特征在于，设置第一加热装置和第二加热装置，其中，所述第一加热装置用于加热至少或者仅所述第一壁，所述第二加热装置用于加热所述第二壁或者所述反应室的所有其它壁。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述加热装置是感应型。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其特征在于，设置具有至少第一构造和第二构造的壁，所述第一构造和所述第二构造彼此不同之处特别在于：对所述第一构造的加热少于对所述第二构造的加热。

24.根据权利要求15～23中的任一项所述的方法，其特征在于，设置由不同材料制成的室壁。

25.根据权利要求15～24中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一壁被加热到第一最高温度，所述第二壁被加热到第二最高温度。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述第二最高温度在1,500℃与1,650℃之间。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其特征在于，所述第二最高温度与所述第一最高温度之间的差值在150℃与300℃之间。

28.根据权利要求25或26或27所述的方法，其特征在于，在所述反应室中的外延生长过程期间、特别地在用于碳化硅的外延生长的过程期间，所述反应室被加热到所述第一最高温度和所述第二最高温度。

29.一种外延反应器，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1～14中的任一项所述的反应室。

30.根据权利要求29所述的外延反应器，其特征在于，该外延反应器用于实现根据权利要求15～28中的任一项所述的加热方法，以便加热所述反应室。

31.一种包括至少一个反应室的外延反应器，其特征在于，用于实现根据权利要求15～28中的任一项所述的加热方法，以便加热所述反应室。

32.根据权利要求31所述的外延反应器，其特征在于，所述反应室是根据权利要求1～14中的任一项所述的反应室。

33.根据权利要求29～32中的任一项所述的外延反应器，其特征在于，该外延反应器包括用于进行碳化硅外延生长过程的装置。