FR2488443A1 - Procede et dispositif d'oxydation de tranches de silicium - Google Patents

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA FABRICATION DES DISPOSITIFS A SEMI-CONDUCTEURS. UN DISPOSITIF DESTINE PAR EXEMPLE A L'OXYDATION THERMIQUE D'UNE TRANCHE DE SILICIUM COMPORTE NOTAMMENT UN TUBE DE QUARTZ A DOUBLE PAROI 10 QUI COMPREND UNE REGION CENTRALE 11A DANS LAQUELLE LA TRANCHE EST MAINTENUE DANS UNE ATMOSPHERE OXYDANTE, ET UNE REGION ANNULAIRE 11B DANS LAQUELLE ON FAIT CIRCULER UN MELANGE CONTENANT DU HCL. CE MELANGE REDUIT L'INTRODUCTION D'IMPURETES, EN PARTICULIER DE METAUX DE TRANSITION, DANS LA TRANCHE. APPLICATION A LA FABRICATION DES CIRCUITS INTEGRES.

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication de dispositifsen
silicium qui comprend la formation d'une couche d'oxyde par croissance, obtenue par chauffage d'une tranche de silicium en présence d'une ambiance oxydante. Dans la fabrication des dispositifs semiconducteurs au silicium, il est souvent nécessaire qu'une couche d'oxyde relativement épaisse, obtenue par croissance, soit formée sur la tranche de silicium qui est utilisée dans le dispositif. La manière la plus commode de former cette couche consiste à chauffer la tranche de silicium dans une atmosphère oxydante, dans un tube de quartz, pendant une durée et à une température suffisantes pour que la couche prenne l'épaisseur désirée. Pour réduire le temps de chauffage nécessaire, et donc le coût, et pour éviter des températures excessivement élevées qui tendent à dégrader la qualité du dispositif, lorsqu'on désire des couches relativement épaisses, il est habituellement avantageux d'utiliser de la vapeur d'eau, soit à la pression atmosphérique soit à une pression supérieure, en tant qu'agent oxydant, à des températures caractéristiques d'environ 9500C. Cependant, lorsqu'on utilise de la vapeur d'eau en tant qu'agent oxydant dans un tel traitement, il y a une tendance à l'introduction dans la tranche de silicium d'impuretés gênantes, qui sont de façon caractéristique des métaux de transition, pouvant avoir un effet nuisible sur la qualité des dispositifs réalisés à partir de telles tranches. Bien qu'on connaisse des traitements susceptibles d'absorber la plupart de ces impuretés de façon à les extraire de la tranche, ces traitements augmentent le coût
de fabrication des dispositifs.
On sait qu'il est possible de réduire l'introduction de telles impuretés gênantes dans la tranche de silicium en utilisant un mélange d'oxygène sec et de gaz chlorhydrique (HC1) en tant qu'agent oxydant, mais ceci a l'inconvénient d'augmenter le temps nécessaire pour obtenir une épaisseur donnée d'oxyde a une température déterminée. On a constaté en outre qu'il n'était pas possible en pratique d'ajouter du HC1 à la vapeur qui est utilisée en tant qu'agent oxydant, du fait qu'il se produit une corrosion importante du matériel et du fait que cette technique n'assure pratiquement aucune protection. Le problème précédent est résolu par un traitement du type décrit ci-dessus qui est caractérisé en ce que, pour former la couche d'oxyde, on chauffe la tranche dans un tube à double paroi, en faisant circuler une ambiance nxydante dans la partie intérieure du tube et en faisant circuler un mélange comprenant du gaz chlorhydrique dans la partie
extérieure du tube.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de
la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en
se référant au dessin annexé qui représente schématiquement les éléments fondamentaux d'une structure de four convenant
à la mise en oeuvre de l'invention.
Sur le dessin, le tube de quartz à double paroi comporte une paroi cylindrique intérieure 1OA et une paroi cylindrique extérieure 1OB. La paroi intérieure 1OA est ouverte à chaque extrémité et définit une région centrale 11A dans laquelle les tranches de silicium 12 à traiter sont introduites en étant supportées convenablement pour laisser à nu leurs surfaces principales à oxyder. La paroi extérieure 1OB comporte à chaque extrémité une région d'obturation qui se raccorde à la paroi intérieure 1OA9 ce qui forme une région annulaire 11B qui est complètement isolée de la région centrale par la paroi intérieure. Des dimensions caractéristiques peuvent correspondre à un diamètre d'environ 13 cm pour la région centrale, à une séparation d'environ 1 cm entre les deux parois le long de la région annulaire, à des épaisseurs de paroi de plusieurs millimètres, ou plus, et à une longueur de 1,5 m à 3 m, en
fonction de la capacité désirée.
Le tube 10 est entouré par une chemise de mullite 13, du genre habituellement employé pour uniformiser le profil de température et pour protéger le tube de quartz vis-à-vis de l'enroulement chauffant à résistance 14 qui est supporté dans des encoches d'une pièce en céramique 15
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constituant un support d'élément chauffant. Dans certains cas, il est possible d'éliminer la chemise de mullite du fait que la paroi extérieure 1OB peut remplir ces fonctions de façon appropriées. Des moyens (non représentés) sont prévus pour faire circuler un courant de chauffage dans l'enroulement 14. On n'a pas représenté non plus les divers thermocouples qu'on utiliserait dans le cadre de
la commande de la température.
Il existe des moyens permettant de faire circuler l'agent oxydant en direction longitudinale dans la région centrale de façon qu'il passe sur les tranches. Il existe également des moyens, constitués par un orifice d'entrée 16 et un orifice de sortie 17, destinés à faire circuler
dans la région annulaire un mélange contenant du gaz HCl.
Un mélange caractéristique comprend 99 % d'azote et 1 % de HCl à la pression atmosphérique, et ce mélange est introduit avec un débit d'environ 1 1/mn. Selon une variante, on peut utiliser un mélange de 99 % d'oxygène et de 1 % de gaz chlorhydrique. Le débit est imposé par la considération selon laquelle la perte de chaleur est d'autant plus grande que le débit est élevé et l'action de purge du courant de
gaz est d'autant plus faible que le débit est faible.
L'agent oxydant est normalement de la vapeur d'eau lorsqu'on désire obtenir en un temps raisonnable et sans recourir à des températures excessivement élevées, des oxydes épais, par exemple d'une épaisseur de plusieurs centaines de nanomètres, au moins, Cependant, on peut également utiliser de l'oxygène sec lorsqu'on désire des oxydes minces, bien qu'il ne soit pas nécessaire dans ce cas de restreindre la circulation du mélange de HCl à la région annulaire, Les tranches sont maintenues de façon caractéristique à une température dans la plage de 8500C à 11500C pour être oxydées. On choisit normalement la température de façon à parvenir à l'épaisseur d'oxyde désirée en un temps considéré comme commode, soit habituellement une heure environ, Plus la tranche est chaude, plus l'oxydation est rapide, mais plus grande est la tendance à la dégradation de la qualité
du silicium.
Cette technique apparaît être particulièrement efficace pour maintenir à un niveau bas l'introduction de chrome, de fer, de cobalt, de nickel et de tantale. On pense également qu'elle est utile pour la protection contre le
cuivre, le zinc et le sodium.
On pense que le HCI convertit les ions de métaux de transition qui atteignent la région annulaire en composés volatils du type chlorure qui ont un coefficient d'adhérence inférieur (c'est-à-dire qu'ils ont une plus faible probabilité d'adhérer à des corps solides) ce qui évite l'accumulation d'atomes de métaux sur la paroi extérieure du tube intérieur, ces atomes étant susceptibles de diffuser par la suite vers la région centrale, à travers cette paroi, et de contaminer les tranches. Dans les cas dans lesquels les impuretés métalliques tendent à se présenter sous la forme d'atomes, il doit être avantageux d'inclure de l'oxygène dans le
mélange de HCI pour augmenter le pouvoir oxydant du mélange.
On notera que diverses modifications peuvent être apportées à la configuration décrite. Des gaz autres que l'azote et l'oxygène sont utilisables en tant que gaz
porteurs pour la circulation du HCl dans la région annulaire.
En outre, il est possible de modifier la concentration de HCI dans les mélanges, ainsi que le débit, par rapport aux
exemples décrits. Les considérations relatives à l'environne-
ment font qu'il n'est pas souhaitable d'évacuer dans l'atmosphère le mélange de gaz chlorhydrique utilisé, et une technique de séparation doit être mise en oeuvre. Ceci fait qu'il n'est pas souhaitable d'augmenter trop fortement la concentration de gaz chlorhydrique. On considère qu'une
plage comprise entre 1 % et 4 % est préférable.
Les principes de l'invention s'appliquent de façon similaire à n'importe quel traitement, y compris un recuit, lorsqu'il est nécessaire de chauffer de tels semiconducteurs à des températures élevées dans des fours dans lesquels ils peuvent être exposés à une contamination par des impuretés introduites dans le four qui sont susceptibles d'être
évacuées par des mélanges comprenant du gaz chlorhydrique.
Les principes de l'invention s'appliquent en outre à un tel traitement pour des semiconducteurs autres que
le silicium.
Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits
et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de dispositifs en silicium qui comprend la formation d'une couche d'oxyde, par croissance, en chauffant une tranche de silicium en présence d'une ambiance oxydante, caractérisé en ce que, pour former la couche d'oxyde, on chauffe la tranche (12) dans un tube à double paroi (10), en faisant circuler une ambiance oxydante dans la région intérieure (11A) du tube et en faisant circuler un mélange contenant du gaz
chlorhydrique dans la région extérieure (11B) du tube.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ambiance oxydante présente dans la région intérieure est de la vapeur d'eau exempte de gaz ehlorhydrd
3. Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que le mélange comprend essentiellement entre 1 %
et 4 % de HCl et de l'azote pour la partie restante.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange comprend essentiellement entre 1 %
et 4 % de HCl et de l'oxygène pour la partie restante.
5. Procédé selon la revendication 5p caractérisé en ce que l'ambiance oxydante consiste en vapeur d'eau Lque. exempte de gaz chlorhydrique et le mélange consiste essentiellement en 1 % de gaz chlorhydrique et 99 % d'azote.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ambiance oxydante consiste en vapeur d'eau exempte de gaz chlorhydrique et le mélange consiste essentiellement en 1 % de gaz chlorhydrique et 99 % d'oxygèneo
7. Dispositif caractérisé en ce qu'il est destiné à mettre en oeuvre le procédé de l'une quelconque des
revendications 1 à 6.
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