FR2739871A1 - Dispositif d'injection de gaz dans un reacteur de depot chimique en phase vapeur - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'injection de gaz dans une enceinte de dépôt par voie chimique en phase vapeur de type à appauvrissement, cette enceinte ayant une section rectangulaire de largeur grande devant sa hauteur, une circulation de gaz étant assurée dans la direction de la longueur de l'enceinte, l'introduction des gaz étant effectuée par une ouverture centrale (13) et deux ouvertures latérales (14, 15) disposées de part et d'autre de l'ouverture centrale dans le sens de la largeur de l'enceinte. L'ouverture centrale (13) est alimentée par un premier moyen d'introduction de gaz à débit contrôlé (31; 33), et les ouvertures latérales (14, 15) sont alimentées par un deuxième moyen d'introduction de gaz à débit contrôlé (32).

Description

La présente invention concerne des procédés de dépôt de couches minces, plus particulièrement utilisables dans le domaine de l'industrie des composants semiconducteurs.
On tend actuellement à fabriquer des composants semiconducteurs sur des tranches de plus en plus grands diamètres. On utilise par exemple industriellement des tranches d'un diamètre de 20 centimètres mais des projets sont en cours pour développer des machines aptes à traiter des tranches de diamètres encore supérieurs. Avec des tranches d'un tel diamètre, il redevient intéressant de procéder à des traitements tranche par tranche, notamment pour des traitements de dépôt en phase vapeur, par exemple des dépôts de couches épitaxiées.
Comme on cherche à obtenir un grand nombre de composants identiques sur une même tranche, il est d'une importance primordiale que les dépôts effectués aient les mêmes caractéristiques sur toute l'étendue de la tranche et notamment une même composition et une même épaisseur. Dans le cas de réacteurs de dépôt à appauvrissement, dans lesquels la quantité de gaz déposée sur une tranche constitue une proportion importante (plusieurs pour-cents) du flux de gaz incident, l'uniformité de l'écoulement gazeux le long de la tranche constitue un paramètre primordial.
Les figures 1A et 1B représentent de façon extrêmement schématique l'allure générale d'un exemple de réacteur de dépôt par voie chimique en phase vapeur (CVD) pouvant être utilisé pour la formation par épitaxie d'une couche de silicium d'un type de conductivité donné sur un substrat de silicium.
Les figures lA et 1B représentent respectivement une vue de côté et une vue de dessus schématique d'un tel réacteur.
Ce réacteur est essentiellement constitué d'une enceinte en quartz 1 ayant en coupe la forme d'un rectangle dont la hauteur h est généralement faible devant sa largeur l. Par exemple, si l'on souhaite traiter des tranches d'un diamètre de 20 cm, il est clair que la largeur doit être supérieure à 20 cm tandis que la hauteur pourra être de quelques centimètres seulement. L'enceinte a également en vue de dessus une forme générale rectangulaire.
Des gaz sont introduits au niveau d'un flasque d'injection 2 muni d'un embout d'admission 3 et sont évacués au niveau d'un flasque d'évacuation 4 muni d'un embout d'évacuation 5. Des plaques de fermeture 7 et 8 peuvent être ouvertes pour accéder à l'intérieur du tube, en particulier pour introduire et extraire des échantillons à traiter. Ces divers éléments sont assemblés à pression par l'intermédiaire de joints toriques 9. L'échantillon à traiter, par exemple une tranche de silicium, est posé sur un plateau 11. Ce plateau est généralement un plateau tournant entraîné en rotation pendant le traitement pour favoriser l'uniformité du dépôt.
Bien entendu, la représentation des figures 1A et 1B est extrêmement schématique et un réacteur réel sera plus complexe que le système représenté. Notamment, les plaques de fermeture 7 et 8 seront de préférence associées à des sas d'introduction robotisés. Un système de chauffage, par exemple par des lampes chauffantes, sera disposé de façon à irradier la face supérieure de l'échantillon et la face inférieure du plateau sur lequel il repose. Et des systèmes complexes de fourniture de gaz seront prévus. Notamment, un débitmètre massique précis sera connecté en série entre l'embout 3 et la source du ou des gaz de réaction. En effet, on utilisera généralement un mélange de gaz.
Par exemple, pour un dépôt de silicium, on pourra utiliser un gaz source tel que du dichlorosilane et éventuellement un gaz porteur tel que de l'hydrogène, plus des dopants appropriés.
En outre, même pour un dépôt donné, on utilisera diverses "recettes", c'est-à-dire divers ensembles de paramètres, pour obtenir un dépôt plus ou moins rapide ou un dépôt de type spécifique. Par exemple, pour un dépôt de silicium, une recette possible consiste à utiliser une température de tranche de 10500C, une pression dans l'enceinte de l'ordre de 8.103 Pa (60 torrs), un débit de dichlorosilane de 300 cm3 par minute et un débit d'hydrogène de 80 1/mon. Toutefois pour obtenir un dépôt plus rapide ou plus lent on pourra faire varier la température de tranche, la pression, ou les débits.
Pour uniformiser la circulation de gaz dans l'enceinte, on utilise généralement trois fentes d'injection une fente centrale 13 et deux fentes latérales 14 et 15 s'étendant dans le sens de la largeur de l'enceinte. L'ensemble de ces fentes est alimenté par une chambre d'injection recevant la sortie d'un dispositif de régulation tel qu'un débitmètre massique relié à l'embout d'admission 3.
On s'est aperçu en pratique que l'injection constitue un paramètre fondamental pour l'obtention d'un dépôt uniforme sur une tranche à traiter. En conséquence, on a développé des chambres d'injection particulièrement sophistiquées. Un exemple d'une telle chambre, faisant partie du flasque d'injection 2 de la figure 1, est représenté en figure 2 qui est une vue en coupe dans la même direction que la figure lA, selon la ligne II-II de la figure 1B. L'embout d'admission 3 est relié à un tube perforé 21 s'détendant sensiblement selon la largeur de 1 'enceinte 1 à l'intérieur d'un deuxième tube perforé 22, présentant par exemple des perforations du côté diamétralement opposé à celles du tube 21. L'ensemble est disposé dans une chambre 24 dans la partie inférieure de laquelle sont ouvertes les fentes 13, 14 et 15.On a représenté à titre d'exemple le corps de la chambre 24 comme constitué de trois pièces de façon à permettre un accès à l'intérieur de cette chambre. Chacune des fentes est délimitée par exemple par une paroi de la chambre et une lame coulissante 26 qui est maintenue en position par une vis 28.
Avec les dimensions indiquées précédemment, il sera clair que chacune des fentes a une longueur supérieure à 50 mn et, en pratique, pour la recette indiquée précédemment, on a une largeur de fente typique de 0,12 itin pour la fente centrale et des largeurs de 0,05 rtin pour les fentes latérales. Il est mécaniquement difficile de régler avec précision de telles fentes longues et étroites. Par ailleurs, dans les appareils existants, pour faire un réglage de la largeur des fentes, il faut démonter le flasque d'injection ce qui entraîne des opérations longues puisqu'elles doivent être suivies d'opérations de nettoyage de l'enceinte.
La présente invention vise donc à résoudre le problème de l'injection contrôlée de gaz dans une enceinte du type décrit ci-dessus.
Une première idée qui pourrait venir à l'esprit serait de réaliser des fentes dont une lèvre soit réglable de l'extérieur. Toutefois, cette solution s'avère mécaniquement complexe et, vu les très faibles dimensions des fentes, les réglages, qui doivent être extrêmement précis, seront difficiles à réaliser. En outre, le moindre dépôt sur des fentes très étroites entraîne un déréglage de l'appareil.
Ainsi, la présente invention prévoit un dispositif d'injection de gaz dans une enceinte de dépôt par voie chimique en phase vapeur de type à appauvrissement, cette enceinte ayant une section de forme générale rectangulaire, de largeur grande devant sa hauteur, une circulation de gaz étant assurée dans la direction de la longueur de l'enceinte, l'introduction des gaz étant effectuée par une ouverture centrale et deux ouvertures latérales disposées de part et d'autre de l'ouverture centrale dans le sens de la largeur de l'enceinte. L'ouverture centrale est alimentée par un premier moyen d'introduction de gaz à débit contrôlé, et les ouvertures latérales sont alimentées par un deuxième moyen d'introduction de gaz à débit contrôlé.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens d'introduction sont des débitmètres massiques.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacune des ouvertures est une fente.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, toutes les fentes ont la même largeur.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les ouvertures sont constituées d'une succession de trous.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est adapté à la réalisation d'un dépôt épitaxié.
Plus généralement la présente invention concerne un dispositif d'injection de gaz dans une enceinte de traitement comprenant plusieurs ensembles d'ouvertures d'introduction de gaz, dans lequel les divers ensembles d'ouvertures sont alimentés indépendamment par des moyens distincts d'introduction de gaz à débit contrôlé.
Selon un premier avantage de la présente invention, il devient possible d'utiliser des fentes ou autres ouvertures de dimensions fixes.
Selon un autre avantage de la présente invention, il est possible d'utiliser des ouvertures de plus grande étendue que celles existant dans les systèmes de l'art antérieur.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles
les figures 1A et 1B représentent une enceinte de dépôt
CVD sur une tranche de silicium
la figure 2 représente une vue en coupe d'un injecteur selon l'art antérieur
la figure 3 représente de façon schématique la structure d'un dispositif d'injection selon la présente invention ; et
les figures 4A et 4B représentent deux exemples de fentes utilisables selon la présente invention.
Comme le représente très schématiquement la figure 3, la présente invention prévoit des alimentations distinctes pour, d'une part, l'ouverture centrale 13, d'autre part, les ouvertures latérales 14 et 15. Ainsi, par exemple, un débitmètre massique 31 peut être prévu au niveau de la conduite d'accès du mélange de gaz que l'on veut introduire dans l'enceinte. Ce débitmètre 31 peut être connecté, d'une part, à une chambre associée à la fente centrale 13, d'autre part, par l'intermédiaire d'un deuxième débitmètre massique 32, à une chambre associée à l'ensemble des fentes latérales 14 et 15.
Bien entendu, divers agencements des débitmètres sont possibles. On pourra par exemple prévoir un troisième débitmètre massique 33 en série avec la conduite reliée à la fente 13, ou bien on pourra prévoir seulement les débitmètres 32 et 33, le débitmètre 31 correspondant à la conduite d'arrivée du mélange de gaz étant supprimé. On pourra aussi prévoir un débitmètre pour chacune des fentes latérales. Un dispositif d'échappement sera éventuellement ajouté pour tenir compte de légères variations des débits fournis par les débitmètres.
Grâce à l'invention, les ouvertures des fentes 13, 14 et 15 n'ont plus besoin d'être réglables. On pourra simplement contrôler le débit dans ces fentes par un réglage des débitmètres 31 à 33 ce qui, avec des appareils classiques, peut être fait par commande électronique, éventuellement numérique.
Selon un autre avantage de la présente invention, la fente centrale 13 peut avoir la même dimension que les fentes latérales 14 et 15, les débits étant réglés en conséquence. Ceci est illustré en figure 4A. Selon un autre avantage de la présente invention, étant donné que les ouvertures 13, 14 et 15 n'ont plus besoin d'être réglables, elles peuvent avoir toute forme choisie, par exemple la forme de simples perçages comme cela est illustré en figure 4B ou encore toute forme profilée adaptée à l'intro duction de gaz dans le tube. Dans le cas de perçages, ceux-ci ne sont pas nécessairement alignés, ni répartis régulièrement.
Selon un autre avantage de la présente invention, il n'est plus nécessaire de prévoir que les ouvertures soient de très petite section comme cela était le cas dans l'art antérieur.
On attribue le fait qu'en pratique les ouvertures étaient très petites dans l'art antérieur à la nécessité d'avoir une perte de charge importante au niveau de la plus grande fente 13 pour qu'il existe une pression suffisante pour qu'un débit s'écoule par les fentes 14 et 15. Avec le dispositif selon l'invention cette contrainte est beaucoup moins importante.
Ainsi, la présente invention permet non seulement un réglage automatique des débits relatifs des ouvertures centrale et latérales mais aussi une simplification de la fabrication et de la réalisation de ces ouvertures. De plus, comme les ouvertures peuvent être plus grandes et de forme plus simple, elles présentent moins de risque d'encrassement.
Chacune des chambres associées aux fentes d'injection pourra avoir une forme similaire à celle de la chambre illustrée en figure 2 avec une distribution de gaz par des tubes concentriques et percés en opposition pour mieux répartir ces gaz dans la chambre encore que, étant donné que le débit initial est parfaitement contrôlé et ne doit pas être ajusté par la conformation de la chambre, ces chambres puissent avoir des formes plus simples. En outre, puisqu'il n'est plus nécessaire d'effectuer un réglage de fentes à l'intérieur des chambres d'injection, cellesci pourront être fabriquées de façon plus simple.
La présente invention a été décrite dans le cas d'un exemple particulier à un dépôt chimique en phase vapeur de silicium pour réaliser un dépôt épitaxié sur une tranche de silicium.
Bien entendu, la présente invention s'applique de façon générale à tout réacteur de dépôt dans lequel la qualité du dépôt dépend de l'uniformité de l'écoulement des gaz au-dessus de la surface à traiter. Notamment l'invention s'applique à des systèmes d'injection à plus de deux ensembles d'ouvertures.

Claims (7)

REVESICkTICWS
1. Dispositif d'injection de gaz dans une enceinte de dépôt par voie chimique en phase vapeur de type à appauvrissement, cette enceinte (1) ayant une section de forme générale rectangulaire, de largeur grande devant sa hauteur, une circulation de gaz étant assurée dans la direction de la longueur de l'enceinte, l'introduction des gaz étant effectuée par une ouverture centrale (13) et deux ouvertures latérales (14, 15) disposées de part et d'autre de l'ouverture centrale dans le sens de la largeur de l'enceinte, caractérisé en ce que
l'ouverture centrale (13) est alimentée par un premier moyen d'introduction de gaz à débit contrôlé (31 ; 33) ; et
les ouvertures latérales (14, 15) sont alimentées par un deuxième moyen d'introduction de gaz à débit contrôlé (32).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens sont des débitmètres massiques.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des ouvertures est une fente.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que toutes les fentes ont la même largeur.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures sont constituées d'une succession de trous.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est adapté à la réalisation d'un dépôt épitaxié.
7. Dispositif d'injection de gaz dans une enceinte de traitement comprenant plusieurs ensembles d'ouvertures d'introduction de gaz, caractérisé en ce que les divers ensembles d'ouvertures sont alimentés indépendamment par des moyens distincts d'introduction de gaz à débit contrôlé.
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