FR2463824A1 - Procede de fabrication de structures semi-conductrices par epitaxie en phase liquide - Google Patents

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Abstract

PROCEDE EVITANT DES DEPOTS SUR LES ZONES REVECHES D'OXYDE DE SILICIUM. IL CONSISTE: A.ETABLIR UNE COUCHE D'OXYDE 11 SUR UNE SURFACE DE LA PASTILLE DE SILICIUM; B.FORMER DES RAINURES 13 S'ETENDANT DANS CETTE PASTILLE A TRAVERS LA COUCHE D'OXYDE; C.INSERER CETTE PASTILLE DANS UN BAIN FONDU AU MOINS SATURE AVEC DU SILICIUM ET CONTENANT DES IMPURETES DETERMINANT LE TYPE DE CONDUCTIVITE; D.REFROIDIR LE BAIN FONDU A UNE VITESSE REGLEE AFIN DE REMPLIR LES RAINURES AVEC DU SILICIUM DE CROISSANCE EPITAXIALE 14 JUSQU'A UNE VALEUR VOULUE; ET E.ENLEVER LA PASTILLE DU BAIN FONDU A LA FIN DU REFROIDISSEMENT. APPLICATION A LA FABRICATION DE FET ET FCT.

Description

La présente invention concerne la fabrication de struc-
tures de dispositif planar au silicium, et plus particulière-
ment, à un procédé de production de structures de dispositif
planar au silicium, par remplissage des rainures dans un subs-
trat revêtu d'oxyde en utilisant la croissance épitaxiale en
phase liquide.
On a produit des structures de dispositif planar en utilisant la croissance épitaxiale en phase vapeur pour remplir des rainures gravées dans un substrat de silicium <110> comme l'indique l'article R.K. Smeltzer, "Epitaxial Deposition of Silicon in Deep Grooves", Journal of the Electrochemical Society, Vol. 122, n0 12, Pages 1666-1671, Decembre 1975. Dans cette étude, les parties non gravées de la pastille au silicium n'étaient pas protégées par une couche de masquage. Outre la
croissance épitaxiale à l'intérieur des rainures, une crois-
sance épitaxiale très mince apparaissait sur les régions non attaquées exposées de la pastille, reliant entre elles les rainures remplies. Cette structure peut être utile pour la
fabrication de cellules solaires à multicanaux verticales.
Dans le cas d'un thyristor à commande par champ (FCT) ou d'un transistor à effet de champ (FET), il est souhaitable d'employer des rainures remplies à nouveau gravées dans un
semi-conducteur ayant une surface planar et sans aucune crois-
sance épitaxiale sur la surface non gravée, car la cathode ou source du FCT ou FET respectivement, doit être située dans cette zone. Pour fabriquer ces structures, il est classique de remplir à nouveau les rainures en utilisant l'épitaxie en phase vapeur tout en utilisant une couche d'oxyde sur les zones non gravées pour empêcher le dépôt épitaxial de silicium sur celles-ci. Bien qu'on ait obtenu un bon remplissage des rainures de cette manière, on a trouvé qu'un peu de silicium polycristallin croissait sur la couche d'oxyde. Ce polysilicium peut agir comme un court-circuit entre les rainures et également peut
mener à une surface non planar, ce qui rend le traitement photo-
lithographique ultérieur plus difficile.
Le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 4.128.440 décrit un procédé épitaxial en phase liquide pour recouvrir des régions
ensevelies de dispositifsau silicium. Ce brevet mentionne l'a-
vantage qu'il y a à éviter des dépôts polycristallins sur des régions revêtues d'oxyde de silicium du dispositif en utilisant
la croissance épitaxiale en phase liquide.
En bref, selon une réalisation recommandée de la présente invention, on a mis au point un procédé de remplissage des rainures dans une pastille de silicium par croissance épitaxiale à partir de la phase liquide qui consiste à établir une couche d'oxyde sur une surface de la pastille, et à former un ensemble de rainures s'étendant dans la pastille à travers la couche d'oxyde, de telle sorte que la couche d'oxyde masque la surface
de la pastille entre des rainures adjacentes.
La pastille est ensuite insérée dans un bain fondu au
moins saturé avec du silicium et contenant des impuretés dé-
terminant le type de conductivité, et le bain fondu est refroidi à une vitesse déterminée en-dessous de 0,30C par minute pendant une durée prédéterminée afin de remplir les rainures avec du
silicium de croissance épitaxiale jusqu'à une valeur voulue.
On retire alors la pastille du bain fondu et on peut enlever
le masque de celle-ci.
Selon une autre réalisation recommandée de la présente in-
vention, on a mis au point un procédé de remplissage de rainures dans une pastille de silicium par croissance épitaxiale à partir de la phase liquide qui consiste à établir une couche d'oxyde sur une surface de la pastille, et à former un ensemble de rainures s'étendant dans la pastille à travers la couche d'oxyde, de
telle sorte que la couche d'oxyde masque la surface de la pas-
tille entre les rainures adjacentes. La pastille est ensuite introduite dans un bain fondu sursaturé avec du silicium et contenant des impuretés déterminant le type de conductivité, et le bain fondu est maintenu à une température constante pendant une durée prédéterminée afin de remplir les rainures avec du
silicium de croissance épitaxiale jusqu'à une valeur voulue.
On enlève alors la pastille du bain fondu et on peut enlever
le masque d'oxyde.
La suite de la description se réfère aux figures annexées
qui représentent respectivement: FigureslA à lE, des vues en coupe d'une pastille de silicium illustrant une succession d'opérations dans lesquelles on forme des rainures dans la pastille et on les remplit de niveau avec leur sommet par croissance épitaxiale de silicium à partir de la phase liquide; Figure 2, un diagramme schématique de l'appareil utilisé pour la croissance épitaxiale de silicium à partir de la phase liquide; Figure 3, une vue en coupe d'une pastille de silicium
dans laquelle des rainures sont partiellement remplies par crois-
sance épitaxiale de silicium à partir de la phase liquide pour créer une zone en creux dans chaque rainure; Figure 4, une vue en coupe de pastille de silicium dans
laquelle les rainures sont excessivement remplies par crois-
sance épitaxiale de silicium à partir de la phase liquide pour créer une saillie sur chaque rainure; et Figure 5, une vue en coupe d'une pastille de silicium sans une couche d'oxyde sur la surface, de telle sorte que la croissance épitaxiale de silicium à partir de la phase liquide
ait lieu à la fois dans les rainures et sur la surface supé-
rieure du silicium, produisant une surface de silicium non
planar après la croissance.
Les figures lA à lE illustrent l'utilisation du procédé épitaxial en phase liquide de la présente invention pour remplir
des rainures profondes dans du silicium pour réaliser des cel-
lules solaires à jonction verticale ou des transistors à effet
de champ à porte de jonction à canal vertical à haute tension.
Comme le montre la figure lA, on a fait croître une couche d'oxyde il sur une pastille de silicium 10 soit dans l'oxygène ou la vapeur sec à une température élevée comprise entre 900'C et 19500C. La pastille telle qu'illustrée sur la figure lA est du type N orientée <110>, et réalisée avec un remplissage épitaxial de type P. Cependant, la technique est également applicable à d'autres orientations de pastilles, et, en général on peut obtenir à la fois des régions remplies de type P et type N dans des substrats à la fois de type P et de type N. Comme le montre la figure lB, la couche d'oxyde 11 est 4. ensuite formée au-dessus du substrat de silicium 10 par des techniques photolithographiqueg bien connues dans la technique des dispositifs semi-conducteurs planars, de sorte que des fenêtres 12 soient ouvertes dans des régions de la couche d'oxyde il o l'on doit former des rainures. On produit ensuite des rainures à parois verticales 13 dans le substrat de silicium 10 comme le montre la figure en C. Dans du silicium orienté <110 >, ceci s'effectue en utilisant un agent d'attaque dépendant de l'orientation, tel qu'un mélange d'hydroxyde de potassium, d'isopropanol et d'eau. La couche d'oxyde il agit comme un masque de protection pour le silicium pendant cette étape, empêchant essentiellement l'attaque par l'agent d'attaque du silicium sous l'oxyde. A cet instant, la
pastille est prête pour le remplissage des rainures par crois-
sance épitaxiale à partir de la phase liquide.
Sur la figure 1D, on a représenté le substrat 10 rempli avec du silicium de croissance épitaxia]el4, dans les régions
des rainures précédentes. Une description détaillée de l'appa-
reil et du bain d'étain fondu à saturation utilis&sdans le procédé de croissance épitaxiale en phase liquide, aussi bien
que le procédé de croissance lui-même sont indiqués dans l'ar-
ticle de B.J. Baliga, "Kinetics of the Epitaxial growth of Silicon from a Tin Melt", Journal of the Electrochemical Society, 124, 1627-1631 (Octobre 1977) aussi bien que dans le brevet des
Etats Unis d'Amérique 4.128.440.
La structure de cellules solaires multijonctions verti-
cales illustrée à la figure lE est déterminée en éliminant la couche d'oxyde 11, représentée sur la figure 1B par attaque à l'acide fluorhydrique, par exemple. Si l'on suppose que le substrat 10 est de conductivité de type N, et que les rainures sont remplies avec du silicium de conductivité de type P, les régions P profondes résultantes sont alors électriquement reliées au sommet par diffusion d'une région de type P peu profonde
16 dans la surface de la pastille 10.
En utilisant ce procédé de dépôt épitaxial en phase liquide
au lieu du dépôt épitaxial en phase vapeur, la croissance épi-
taxiale du silicium a lieu à une température inférieure et par
- 5
conséquent nécessite une moindre dépense d'énergie que la
croissance épitaxiale en phase vapeur. De plus, la crois-
sance en phase liquide s'effectue avec une conservation com-
plète du silicium, car le gaspillage dû au gaz d'entrée n'ayant pas réagi et aux sous-produits de réaction se trouve
éliminé. En outre, puisque la croissance s'effectue en utili-
sant un solvant liquide pour le silicium, tel que de l'étain ou un mélange étain-plomb, le liquide agit comme un piège pour les impuretés réductrices de la durée de vie restantes,ce qui conduit à des durées de vie plus élevées pour le dispositif
fabriqué par ce procédé.
La figure 2 illustre un appareil que l'on peut utiliser dans la mise en oeuvre du procédé de remplissage par épitaxie en phase liquide de la présente invention. Ainsi, un creuset 30, contenant un bain fondu d'impuretés déterminant le type de
conductivité 31, est chauffé dans une atmosphère réductrice.
Pour le dépôt épitaxial de la couche de silicium contenant les impuretés de type N ou de type P, on utilise un bain d'étain fondu de pureté élevée, que l'on chauffe à une température de
950'C dans un four à résistances 32 sous une atmosphère d'hy-
drogène. En variante, on peut utiliser un bain d'étain-plomb fondu. Le creuset est de préférence contenu dans un tube de quartz 33 avec le flux de gaz hydrogène, comme illustré par les flèches sur la figure 2, allant de préférence du bas du tube 33 vers le sommet. Le porte-pastille 34 de préférence réalisé
en quartz, est fixé à une tige verticale 35, également de pré-
férence fabriquée de quartz, qui élève et abaisse le porte-
pastille 34.
Avant la croissance, on sature le bain d'étain fondu 31, avec du silicium à partir d'une pastille de silicium plongée dans ce bain au moyen du porte-pastille 34. La pastille a de préférence une résistivité de 100 ohm. cm, et est dopée soit avec du phosphore soit avec du bore, selon que l'on doit remplir par épitaxie des rainures du substrat de la figure 1C avec du silicium de type N ou de type P respectivement. Pendant la saturation, on agite de préférence le bain fondu par oscillation du porte-pastille 34 autour d'un axe vertical. La saturation s'effectue jusqu'à ce qu'on ne puisse plus détecter d'autres pertes de poids de la pastille de saturation. La quantité de silicium nécessaire pour saturer un bain d'étain fondu frais
de 99 grammes à 9500Cestde 0,47 grammes. Après chaque crois-
sance épitaxiale, le silicium dans le bain fondu est de pré- férence réapprovisionné en utilisant le même procédé. On peut faire croître de façon classique la couche épitaxiale sur un substrat de silicium dopé au bore de résistivité de 0,01 ohm.cm orienté (110) avec des rainures préparées selon les étapes illustrées aux figures lA à 1C. Le substrat est plongé dans l'acide fluorhydrique dilué juste avant le chargement sur le porte-pastille 34. La température du substrat est amené à la température de fusion en maintenant la pastille au-dessus du bain fondu pendant environ 10 minutes. On introduit alors la pastille dans le bain fondu, et on abaisse la température du bain fondu à une vitesse de refroidissement réglée qui peut aller de 0,20C à 70C par minute. Bien que cela ne soit pas essentiel, on peut légèrement sursaturer le bain fondu (en abaissant sa température après saturation) avant d'introduire le substrat dans le bain fondu, afin d'éviter toute fusion en
retour possible dans les rainures du substrat avant la crois-
sance épitaxiale.
Durant le refroidissement du bain fondu à une vitesse de refroidissement réglée, le silicium contenant les impuretés déterminant le-type de conduetivité implantée précipite de la solution et se dépose par épitaxie sur le silicium exposé du substrat. Si le silicium du substrat est masqué par de l'oxyde de silicium, il n'y a pas de croissance épitaxiale. Ainsi, les rainures se remplissent avec du silicium, en commençant aux
coins inférieurs de ces rainures. Le temps de croissance néces-
saire pour remplir les rainures peut aller de quelques minutes jusqu'à plusieurs heures, selon la vitesse de refroidissement
pour obtenir un sous-refroidissement du bain fondu allant jus-
qu'à 1000C, la croissance épitaxiale ayant été initiée à 950'C.
Si le temps de croissance approprié est choisi, les rainures peuvent être remplies jusqu'à affleurement de leur sommet, laissant une surface de silicium plane après remplissage, comme le montre la figure 1D. Comme l'étain ne mouille pas le dioxyde de silicium, il n'y a aucune nucléation sur les zones d'oxyde recouvrant le substrat de silicium. Par suite, la croissance
épitaxiale a lieu sélectivement dans les rainures, sans crois-
sance indésirable de silicium sur les zones d'oxyde.Ceci est un avantage important du procédé d'épitaxie en phase liquide décrit ici, comparé à l'épitaxie en phase vapeur o du silicium polycristallin invariablement croit sur des zones d'oxyde
recouvrant le substrat de silicium.
A la fin de la période de croissance, on enlève le subs-
trat du bain fondu avant la fin du refroidissement du four afin d'éviter tout effet de refusion (c'est-à-dire pénétration d'étain dans le substrat de silicium). Si l'on trouve de l'étain sur-le bord inférieur de la pastille après croissance, on l'élimine de préférence par attaque à l'eau régale.Ensuite, on traite le
dispositif jusqu'à sa terminaison d'une manière classique.
En réglant le temps de croissance épitaxiale, on trou-
vait qu'il était possible, soit de remplir partiellement les rainures dans le substrat pour y créer des zones en creux comme représentées dans la figure 3, soit de les remplir excessivement pour y créer des saillies de croissance épitaxiale au-dessus des rainures comme représentées à la figure 4. Cette technique permet la fabrication de dispositifs nécessitant des niveaux de surface de semi-conducteurs multiples. En particulier, en réduisant la durée de croissance épitaxiale, il y a un temps
insuffisant pour remplir complètement avec le silicium les rai-
nures du substrat 10. Par suite, on obtient un remplissage partiel 40, avec une surface légèrement concave due aux effets de tension superficielle comme le montre la figure 3. D'un autre
côté, en augmentant la durée de croissance épitaxiale, il s'é-
coule plus que le temps nécessaire pour remplir les rainures
dans le substrat 10 jusqu'à la surface la plus élevée du subs-
trat 10, et un débordement du remplissage de silicium 41 est obtenu comme le montre la figure 4, sans aucun recouvrement du
silicium sur une partie quelconque de la couche d'oxyde 11.
Afin d'obtenir un bon remplissage épitaxial, il est néces-
saire d'utiliser seulement une faible vitesse de refroidissement pendant le cycle de croissance. Les vitesses de refroidissement
inférieures à 0,30C par minute s'avèrent satisfaisantes lors-
qu'on utilise l'appareil utilisé à la figure 2. Aux vitesses élevées de refroidissement (c'est-à-dire supérieures à 0,50C
par minute) une croissance préférentielle du silicium appa-
rait sur les bords supérieurs des rainures près de la couche d'oxyde, ce qui peut conduire à une croissance de feuilles de silicium orientées verticalement s'étendant vers le haut le long d'au moins une partie des parois verticales de chaque rainure, au-delà de la surface la plus élevée de la couche d'oxyde. Très peu de croissance du silicium a lieu à l'intérieur
des rainures dans ce cas.
Le remplissage des rainures dans le substrat 10 peut éga-
lement s'effectuer en utilisant le procédé de la présente in-
vention sans établir une couche d'oxyde sur la surface du subs-
trat de silicium. Cependant, en l'absence de cette couche d'oxyde,
la croissance épitaxiale a lieu simultanément dans les rainu-
res du substrat 10 et sur la surface supérieure du substrat 10, couvrant ainsi le substrat 10 d'une couche continue non plane
de silicium 43 après croissance comme le montre la figure 5.
Cette structure, bien évidemment, conduit àdes courts-circuits
entre des rainures adjacentes, du fait que les rainures adja-
centes sont réunies ensemble par le silicium de croissance épi-
taxiale.
On peut en variante effectuer le remplissage avec du sili-
cium épitaxial selon la présente invention en utilisant un bain fondu sursaturé sans aucun refroidissement pendant la période de croissance, c'est-à-dire par croissance isotherme. Bien que l'on puisse obtenir un bon remplissage de silicium des rainures du substrat, par ce procédé, le temps de croissance se trouve fortement accru par comparaison au remplissage utilisant
le procédé de refroidissement lent du bain fondu décrit précé-
demment. Comme c'est le cas avec le procédé de refroidissement lent du bain fondu, le remplissage de silicium des rainures du substrat peut s'effectuer avec ou sans une couche d'oxyde sur la surface du substrat, bien qu'alors des'courts-circuits de silicium monocristallin se trouvent formés entre des rainures
adjacentes dans le substrat lorsque l'on n'utilise pas de mas-
que d'oxyde.
On vient de décrire un procédé pour remplir des rainures
gravées dans le substrat de silicium ayant des régions non gra-
vées revêtues d'oxyde sans production de court-circuit entre les rainures. On peut également utiliser le procédé pour remplir des rainures gravées dans des substrats de silicium planars ayant des régions non gravées revêtues d'oxyde sans production
d'une surface de silicium non planar sur le substrat. Les rai-
nures sont remplies en utilisant un procédé de croissance épi-
taxiale en phase liquide, et évite la croissance de silicium
polycristallin sur la couche d'oxyde.

Claims (11)

R E V E N D I C A T I O N S
1. Procédé de remplissage de rainures sur une pastille
de silicium de type de conductivité pré-déterminé par crois-
sance épitaxiale de silicium à partir de la phase liquide, caractérisé en ce qu'il consiste à: (a) établir une couche d'oxyde (11) sur une surface de la pastille de silicium; (b) former des rainures (13) s'étendant dans cette pastille à travers la couche d'oxyde; (c) insérer cette pastille dans un bain fondu au moins saturé avec du silicium et contenant des impuretés déterminant le type de conductivité; (d) refroidir le bain fondu à une vitesse réglée afin de remplir les rainures avec du silicium de croissance épitaxiale (14) jusqu'à une valeur voulue; et
(e) enlever la pastille du bain fondu à la fin du refroi-
dissement
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement est terminé lorsque les rainures dans la pastille de silicium sont remplies avec du silicium de croissance épitaxiale jusqu'à la surface de cette pastille de silicium.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement est terminé lorsque les rainures dans la pastille de silicium sont remplies avec du silicium de croissance épitaxiale jusqu'à un niveau inférieur à la surface
de la pastille de silicium.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement est terminé lorsque les rainures dans la pastille de silicium sont remplies avec du silicium de
croissance épitaxiale jusqu'à un niveau au-dessus de la sur-
face de la pastille de silicium.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
4, caractérisé en ce que le bain fondu est sursaturé avec du silicium.
6. Procédé se remplissage des rainures dans une pastille il
de silicium de type de conductivité prédéterminé par crois-
sance épitaxiale du silicium à partir de la phase liquide, caractérisé en ce qu'il consiste à:
(a) établir une couche d'oxyde sur la surface de la pas-
tille de silicium; (b) former des rainures s'étendant dans cette pastille à travers la couche d'oxyde; (c) insérer cette pastille dans un bain fondu sursaturé avec du silicium et contenant des impuretés déterminant le type de conductivité; (d) à maintenir le bain fondu à une température constante pendant une durée prédéterminée afin de remplir les rainures avec du silicium de croissance épitaxiale jusqu'à la valeur voulue et, (e) à enlever la pastille du bain fondu lorsque les rainures sont remplies avec du silicium de croissance épitaxiale jusqu'à
cette valeur voulue.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pastille est retirée du bain fondu lorsque les rainures dans cette pastille sont remplies avec du silicium de croissance
épitaxiale jusl là la surface de la pastille de silicium.
- 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pastille est retirée du bain fondu lorsque les rainures dans cette pastille sont remplies avec du silicium de croissance
épitaxiale jusqu'à un niveau inférieur à la surface de la pas-
tille de silicium.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pastille est retirée du bain fondu lorsque les rainures dans cette pastille sont remplies avec du silicium de croissance
épitaxiale jusqu'à un niveau supérieur à la surface de la pas-
tille de silicium.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
9, caractérisé en ce qu'il comprend également l'enlèvement de la couche d'oxyde de la pastille après que l'on ait retiré la
pastille du bain fondu.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la diffusion
d'impuretés dans la partie de surface non rainurée de la pas-
tille avant de recouvrir cette pastille par la couche d'oxyde afin de relier électriquement des rainures successives remplies
contenant du silicium de croissance épitaxiale.
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