FR2646860A1 - Procede pour la formation d'une structure soi - Google Patents

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Abstract

Selon l'invention, on préconise un procédé de formation d'une structure SOI. Un film isolant 2 est formé sur un support semi-conducteur monocristallin 1, et une ouverture ou fenêtre 2a est formée sélectivement sur le film isolant de telle façon que la surface 1adu support semi-conducteur monocristallin soit exposée ou dénudée. On fait croître sélectivement une couche semi-conductrice monocristalline 3 par croissance épitaxiale, uniquement sur le support semi-conducteur monocristallin exposé. Puis, dans le même réacteur utilisé pour la croissance épitaxiale sélective sus-visée, on fait croître un film de Si monocristallin 4 de façon continue par croissance épitaxiale sur le film isolant et la couche semi-conductrice monocristalline, la couche semi-conductrice monocristalline 3 intervenant en tant que germe, afin de réaliser une structure SOI.

Description

PROCEDE POUR LA FORNATION D'UNE STRUCTURE SOI
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention a trait à un procédé pour la formation d'une structure SOI, c'est-à-dire une structure du'type "silicium sur isolant" (de l'anglais "Silicon on Insulator").
ART ANTERIEUR
Une structure ayant un film de silicium monocristallin (Si) formé sur un film isolant (comprenant un support ou substrat d'un isolant) est appelée structure SOI. Une telle structure est connue pour réaliser aisément une isolation dans une zone ou aire étroite et pour obtenir un dispositif semi-conducteur avec une intégration plus élevée et une vitesse plus grande. De ce fait, des efforts importants ont été concentrés sur la recherche et le développement de la structure SOI.
Pour former le film de silicium monocristallin sur le film isolant, on utilise une croissance épitaxiale en phase solide. Plus précisément, selon cette croissance épitaxiale en phase solide, un film isolant est formé en premier sur un support de silicium monocristallin, une partie de la surface du support étant exposée ou dénudée pour intervenir en tant que germe.
Ensuite on dépose un film de silicium amorphe (désigné ci-après a-Si) sur le germe et le film isolant, et on recuit à une température basse d'environ 6000C. Ainsi un film a-Si est "monocristallisé" par l'intermédiaire d'une croissance en phase solide dans une direction latérale.
Toutefois, dans la croissance épitaxiale en phase solide précitée, des impuretés telles que l'oxygène, etc.. à l'interface entre le support Si et le film a-Si peuvent réduire la longueur latérale de croissance en phase solide. Un exemple d'un profil d'impuretés (oxygène, carbone) contenues dans un film obtenu selon la croissance épitaxiale en phase solide conventionnelle (permettant la croissance du film a-Si selon un mode de croissance épitaxiale en phase solide) est représenté à la figure 1 ci-après. Comme représenté à la figure 1, si des impuretés du profil sont présentes à l'interface entre le support Si et le film a-Si, la longueur de la croissance épitaxiale en phase solide dans la direction latérale est d'environ de 3 à 5 micromètres.L'article intitulé "Influence of 160, 12C, 14N, and noble gas on the crystallization of amorphous Si layers", publié dans
Journal of Applied physics 48 (NO 10), Octobre 1977, pages 4241-4246, décrit également l'effet désastreux dans le film a-Si d'impuretés électriquement neutres, telles que oxygène, carbone, azote, gaz rares et analogues, visà-vis de la croissance épitaxiale en phase solide.
Pour que la longueur de croissance épitaxiale en phase solide soit plus allongée dans la direction latérale, le film a-Si sur le film isolant après que le premier ait été implanté avec des ions P+ à haute concentration, peut être recuit [ voir par exemple
Japanese Journal of Applied Physics 25 (NO 5), mai 1986, pages 667-672]. Toutefois, comme les ions P+ sont dopés dans le film a-Si soumis à la croissance épitaxiale en phase solide à des concentrations aussi élevées que 1020 à 3 x 1020 atomes.cm-3, les impuretés (P) dans le film de silicium monocristallin obtenu représentent une concentration grandement augmentée rendant difficile la fabrication d'un dispositif semi-conducteur désiré sur le film de Si monocristallin.
Comme indiqué ci-dessus, une augmentation de la longueur de croissance dans la direction latérale ne peut pas être obtenue selon la croissance épitaxiale en phase solide conventionnelle, et en conséquence un support SOI à large zone ou aire, qui convient pour la fabrication d'un dispositif semi-conducteur, ne peut pas autre obtenu.
De plus, la concentration en impuretés dans le film de Si monocristallin est augmentée par la croissance épitaxiale en phase solide conventionnelle, ce qui implique des difficultés dans la fabrication du dispositif- semiconducteur désiré.
RESUME DE L'INVENTION
Selon un procédé de formation d'une structure SOI suivant l'invention, un film isolant est formé sur un support semi-conducteur monocristallin, et une ouverture ou fenêtre est formée sélectivement sur le film isolant de sorte que la surface du support soit exposée ou dénudée. Ensuite, on fait croître sélectivement une couche semi-conductrice monocristalline par croissance épitaxiale uniquement sur le support exposé. Un film de
Si monocristallin croIt ou se développe par croissance épitaxiale sur le film isolant et la couche semiconductrice monocristalline, ladite couche semiconductrice monocristalline intervenant en tant que germe, dans le même réacteur (ou chambre réactionnelle) que pour la croissance épitaxiale sélective, afin de former une structure SOI.
Plus -spécifiquement, le support semi-conducteur monocristallin précité est un substrat de Si monocristallin et la couche semi-conductrice monocristalline est une couche de Si monocristallin. En outre, la croissance épitaxiale sélective de la couche semiconductrice monocristalline et la croissance épitaxiale du film de Si monocristallin sont réalisées sous un vide très poussé dans des conditions dites d'ultra-vide (en anglais : ultrahigh vacuum").
Par ailleurs, plusieurs méthodes sont utilisables pour la croissance épitaxiale du film de Si monocristallin, ainsi que cela sera décrit plus loin.
Le film a-Si peut être formé sur le film isolant et la couche semi-conductrice monocristalline à recuire, pour conduire à la mono cristallisation.
Le film a-Si dopé avec (i.e. contenant) des impuretés est formé sur le film isolant et la couche semiconductrice monocristalline et recuit pour être monocristallisé. Un film de Si monocristallin croit sur le film de Si monocristallisé ainsi obtenu par croissance épitaxiale.
Ou bien le film a-Si dopé avec des impuretés est formé sur le film isolant et la couche semi-conductrice monocristalline et recuit pour être monocristallisé. Le film de Si monocristallisé est à nouveau recuit en sorte qu'un film de Si monocristallin puisse crotte sur lui par croissance épitaxiale.
Le film a-Si dopé avec des impuretés est formé sur le film isolant et la couche semi-conductrice monocristalline, et on forme dessus ce film a-Si un film a-Si non dopé. Le film a-Si dopé et le film a-Si non dopé sont recuits pour être monocristallisés.
OBJET DE L'INVENTION
Selon un des aspects de l'invention, on préconise un procédé pour la formation d'une structure SOI qui permette une augmentation de la largeur de croissance du monocristal dans une direction latérale à partir d'un germe au cours de la croissance épitaxiale en phase solide.
Ce procédé visé ci-dessus pour la formation d'une structure SOI ayant un film de silicium monocristallin formé sur un film isolant, est caractérisé en ce qu'il comprend
un premier stade de formation d'un film isolant sur un support semi-conducteur monocristallin;
un second stade de formation sélective d'une ouverture dans ledit film isolant de façon que la surface dudit support semi-conducteur monocristallin soit exposée;
un troisième stade de formation sélective d'une couche semi-conductrice monocristalline sur la portion exposée dudit support semi-conducteur monocristallin par croissance épitaxiale dans un réacteur; et,
un quatrième stade de formation d'un film de silicium monocristallin sur ledit film isolant et sur ladite couche semi-conductrice monocristalline dans ledit réacteur, par croissance épitaxiale, ladite couche semiconductrice monocristalline intervenant en tant que germe.
Le troisième stade précité peut comprendre selon l'invention l'étape de croissance sélective de ladite couche de silicium monocristallin par croissance épitaxiale avec phase vapeur de faible pression et décomposition thermique de SiH4 gazeux.
La décomposition thermique précitée peut être effectuée dans des conditions telles que la température dudit support semi-conducteur mono cristallin et la pression partielle dudit SiH4 gazeux se trouve dans la région des hautes températures par rapport à une ligne frontière passant par un point ayant une température du support de 8900C et une pression partielle en SiH4 gazeux de O Pa, et, un point ayant une température du support de 9500C et une pression partielle en SiH4 gazeux de 2,66 Pa environ (20 mTorrs) dans le système température du support en abscis-ses et pression partielle en SiH4 gazeux en ordonnées.
Le quatrième stade peut comprendre selon 1 'inven- tion
- l'étape de formation d'un film de silicium amorphe sur ledit film isolant et ladite couche semiconductrice monocristalline ; et
- l'étape de recuit dudit film de silicium amorphe à monocristalliser.
En variante, ledit quatrième stade comprend
- l'étape de formation d'un film de silicium amorphe dopé avec des impuretés sur ledit film isolant et ladite couche semi-conductrice monocristalline;
- l'étape de recuit dudit film de silicium amorphe à monocristalliser; et
- l'étape de croissance d'un film de silicium monocristallin sur le film de silicium monocristallisé par croissance épitaxiale.
En variante, ledit quatrième stade comprend
- l'étape de formation d'un film de silicium amorphe dopé avec des impuretés sur ledit film isolant et ladite couche semi-conductrice monocristalline;
- l'étape de recuit dudit film de silicium amorphe à monocristalliser;
- l'étape de recuit du film de silicium monocristallisé ; et
- l'étape de croissance du film de silicium monocristallin sur le film de silicium recuit par croissance épitaxiale.
En variante également, ledit quatrième stade comprend
- l'étape de formation d'un film de silicium amorphe dopé avec des impuretés sur ledit film isolant et ladite couche semi-conductrice monocristalline;
- l'étape de formation. d'un film de silicium amorphe non-dopé sur ledit film de silicium amorphe ; et
- l'étape de recuit desdits films de silicium amorphe dopé et de silicium amorphe non-dopé à monocristalliser.
Selon un autre aspect de l'invention, on préconise un procédé pour la fabrication d'une structure SOI permettant la réalisation d'un support avec la structure
SOI à large zone.
Ces aspects et d'autres ainsi que les caractéristiques de l'invention seront mieux compris à la lecture qui va suivre de la description détaillée et des dessins annexés.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est un graphique montrant le profil de la concentration en impuretés suivant une méthode conventionnelle de formation;
la figure 2 est un diagramme montrant la structure d'un appareillage à utiliser pour mettre en oeuvre un procédé de formation d'une structure SOI selon l'invention;
la figure 3 explique les processus ou étapes du procédé pour la formation d'une structure SOI suivant un premier mode de réalisation de la présente invention;
la figure 4 est une explication graphique desconditions pour la réalisation d'une croissance épitaxiale sélective;
la figure 5 est un graphique montrant le profil de la concentration en impuretés suivant le procédé conforme au premier mode de réalisation de la présente invention;;
la figure 6 explique les processus ou étapes du procédé pour la formation d'une structure SOI suivant un second mode de réalisation de la présente invention;
la figure 7 est une photographie au moyen d'un microscope électronique à transmission montrant la structure cristalline de la structure SOI telle que for mée selon le procédé conforme au second mode de réalisation de la présente invention;
la figure 8 est une photographie d'une image de diffraction électronique par transmission (en anglais "transmission electron diffraction image") montrant la structure cristalline d'un film de Si monocristallin dans la structure SOI telle que formée selon le procédé conforme au second mode de réalisation de la présente invention;
la figure 9 est une photographie d'une image de diffraction électronique par transmission montrant la structure cristalline au voisinage de la paroi (en anglais : "side wall") d'un film isolant d'une couche semi-conductrice mono-cristalline (couche de Si monocristallin) dans la structure SOI telle que formée selon le procédé conforme au second mode de réalisation de la présente invention; et,
la figure 10 explique les processus ou étapes du procédé pour la formation d'une structure SOI suivant un troisième mode de réalisation de la présente invention.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES
La figure 2 représente un appareillage de déposition chimique au moyen d'une phase vapeur ten abrégé : CVD (de l'anglais : "Chemical Vapor Deposition") ] utilisé dans le procédé de la présente invention, dont le réacteur (ou chambre de réaction) maintient l'intérieur dans des conditions de vide très poussé dites d'ultra-vide (en anglais : "ultrahigh vacuum"). Dans ledit appareil, le réacteur 11 et une chambre 12 de préparation d'échantillon sont mis en état de communication ou en état de non-communication par ouverture ou fermeture d'un robinet-vanne 13.
Un gaz tel que SiH4 ou Ar est introduit dans le réacteur 11 par un conduit d'arrivée de gaz 14, et est évacué par un conduit d'évacuation 15. Quand le gaz n'est pas introduit dans le réacteur 11, le vide dans le réacteur 11 et la chambre 12 est réalisé au moyen d'un conduit de mise sous vide 16. De l'azote est introduit dans la chambre 12 de préparation d'échantillon au moyen d'un conduit d'arrivée de gaz 17, pour permettre de supprimer les conditions de vide.
Un échantillon (support) est porté par un dispositif de soutien ou platine 18 (en anglais : "susceptor"), mû par un système de transfert 19 et placé sur un réceptacle ou porte-platine 20 (en anglais : "susceptor holder") avec ledit dispositif de soutien 18.
L'échantillon (support) est chauffé par une lampe infrarouge 21, dont la température est détectée par un thermocouple 22 et contrôlée ou régulée par un circuit de contrôle de température 23.
Une onde de haute fréquence (RF) est générée par une source de hautes fréquences 24. Le circuit RF est relié aux deux côtés du réacteur 11, on induit ainsi un plasma d'argon quand Ar gazeux est introduit dans le réacteur. On applique ensuite une tension négative de polarisation sur le support à partir d'une source de courant continu 25, en sorte que les ions Ar+ soient attirés par ou sur le support. Du fait de la collision des ions Ar+ contre le support, la surface du support est nettoyée par pulvérisation ou projection cathodique (en anglais : "sputtering").
Le support est placé à l'intérieur du réacteur 11 de la façon suivante. En premier lieu, tandis que le robinet-vanne 13 est fermé, l'air contenu dans le réacteur 11 est évacué par pompage. On introduit de l'azote dans la chambre 12 par le conduit d'arrivée 17 de façon que la chambre 12 soit maintenue sous pression atmosphérique. Ensuite, le substrat placé sur la platine 18 est conduit dans la chambre 12 et l'air contenu dans ladite chambre 12 est évacué par pompage au moyen du conduit 16 de façon à faire le vide dans la chambre 12.
On ouvre alors le robinet-vanne 13 pour placer la platine 18 sur le porte-platine 20. On fait revenir le système de transfert 19 dans la chambre 12 et ferme le robinet-vanne 13.
Quand on doit sortir l'échantillon, le robinetvanne 13 est ouvert après que la chambre 12 ait été mise sous vide, et la platine 18 est conduite dans la chambre 12 au moyen du système de transfert 19. Ensuite le robinet-vanne 13 est à nouveau fermé et de l'azote est introduit dans la chambre 12 pour remettre celle-ci sous pression atmosphérique, l'échantillon est alors retiré.
PREMIER MODE DE REALISATION
Un procédé de formation selon le premier mode de réalisation de l'invention va être discuté plus en détail en ce qui concerne les modalités ponctuelles par référence à la figure 3.
La référence 1 désigne un support de Si monocristallin en tant que support semi-conducteur monocristallin, ayant la surface (100) [ notation de Miller] en tant que surface principale. Un film 2 de SiO2, ayant une épaisseur d'environ 1 micro-mètre, est formé sur le support 1 de Si en tant que film isolant par oxydation thermique ou par CVD [cf. figure 3 (A) ] . Puis on forme sélectivement une ouverture 2a sur le film 2 de Si02 selon une méthode connue en soi, notamment par photolithographie de façon à exposer la surface du support 1 de Si (portion de germe la) [cf. figure 3(B) ] .
Le support ayant le film 2 de SiO2 formé selon un motif est placé dans le réacteur 11. On aspire l'air contenu dans le réacteur Il de façon à avoir des conditions d'ultra-vide dans ledit réacteur de l'ordre de 1,33 x 10-5 Pa environ (10 7Torr) ou moins, c'est-à-dire une valeur de vide inférieure ou égale à 1,33 x 10-5 Pa (10 7 Torr). Dans les processus qui suivent, l'air est aspiré de telle façon que l'ambiance (vide de base) soit maintenue dans les conditions d'ultra-vide sus-visées, sauf quand le gaz est introduit. Le substrat est chauffé au moyen de la lampe infrarouge 21 jusqu 9400C dans les conditions d'ultravide.Après que la température ait été maintenue constante, de l'argon gazeux est introduit à un débit de 150 cm3/minute au moyen du conduit d'arrivée de gaz 14. A ce stade, la pulvérisation cathodique de l'argon est effectuée, la pression de l'argon étant de 8,66 Pa environ (65 mTorrs)#, et la surface du support est nettoyée pendant 5 minutes [ cf. figure 3(C)3. A cet instant, le dispositif de RF fournit une fréquence qui est, par exemple, de 13,56 MHz, à partir d'une source de 100 W, tandis qu'une tension de polarisation en courant continu de -100 V est appliquée sur le support.
Lorsque le nettoyage de la surface du support est achevé, le dispositif RF et la tension de polarisation en courant continu sont éteints et l'apport de Ar gazeux est arrêté, tandis que le support est maintenu à 94O0C.
Puis, le SiH4 gazeux est introduit- à un débit de 2 cm3/minute [ ce débit est exprimé dans les conditions normales : OOC; 1,013 x 105 Pa (1 atm) ] par le conduit d'arrivée de gaz 14, à une pression (partielle) de 1,2
Pa environ (9 mTorrs), et il se forme de façon sélective une couche 3 de Si monocristallin par croissance épitaxiale uniquement à la surface du support Si (portion de germe la) exposée par l'ouverture ou fenetre 2a. La vitesse de croissance épitaxiale de Si dans ce cas est d'environ 5 nm/minute. La couche 3 de Si monocristallin croit jusqu la même épaisseur que le film 2 de SiO2 [cf. figure 3(D) ] .
Ensuite, l'apport de SiH4 est arrêté, le support étant laissé dans le réacteur 11. La température du support est baissée jusqu'à 55O0C sous une pression de base inférieure à 1,33 x 10 5 Pa (10 7Torr).
Ensuite, tandis que la température du support est maintenue à 55O0C, on introduit SiH4 gazeux dans le réacteur 11 avec un débit de 200 cm3/minute [ dans les conditions normales précitées] sous'une pression partielle de 8 x 102 Pa environ (6 Torrs) ou 9,3 x 102 Pa environ (7 Torrs). On forme ainsi un film 4 de a-Si sur le film isolant 2 et la couche 3 de Si monocristallin, selon une épaisseur de 600 nm (la vitesse de croissance étant de 20 nn/minute) [ cf. figure 3(E) ] .
Après que l'argon gazeux ait été introduit dans la réacteur 11 pour purger le gaz SiH4 restant, on supprime les conditions de vide et on abaisse la température du support jusqu'à la température ambiante.
La croissance épitaxiale en phase solide du film 4 de a-Si est réalisée par recuit dudit film pendant 12 heures à 6000C dans une ambiance gazeuse (N2 sous pression atmosphérique), pour monocristalliser ledit film et obtenir ainsi un film 5 de Si monocristallin [cf. figure 3(F) ] .
La croissance épitaxiale sélective [en abrégé
SEG (de l'anglais : "selective epitaxial growth") ] est effectuée selon le processus représenté à la figure 3(D).
Si la surface de la couche 3 de Si mono cristallin sur laquelle le film 4 de a-Si est formé est grandement défectueuse, une durée de temps (en anglais : "delay time") depuis le début du recuit du film 4 de a-Si iusqutau début de la croissance en phase solide devient plus importante, circonstance qui entraîne une réduction de la longueur de croissance lors de la croissance épitaxiale solide latérale du film a-Si. De plus, Si des noyaux de
Si sont générés au hasard sur le film 2 de SiO2, les noyaux aléatoires obstruant ou genant la croissance épitaxiale sont générés plus tôt et la longueur de croissance lors de la croissance épitaxiale solide latérale du film a-Si est réduite. En conséquence, il est nécessaire que la SEG soit effectuée plus favorablement selon le mécanisme de la figure 3(D).
La figure 4 montre la relation entre la température du support et la pression partielle en SiH4 gazeux quand la SEG est effectuée et quand la SEG n'est pas effectuée. Dans le graphique, un cercle blanc "O" indique le cas où une couche de Si monocristallin ne fait l'objet d'une croissance épitaxiale uniquement que sur le support
Si, sans formation d'une couche Si sur le film de SiO2 (en d'autres termes, seule la SEG est effectuée), tandis qu'un cercle noir "#" indique le cas où une couche de Si monocristallin croit sur le support Si, la couche Si se formant également sur le film de SiO2 (ctest-à-dire que la SEG n'est pas effectuée).
Ainsi que cela est mieux compris de la figure 4, quand on trace une ligne frontière passant par un point a à une température du support de 8900C et une pression partielle en SiH4 gazeux de O Pa (O mTorr), et, un point b à une température du support de 9500C et une pression partielle en Si02 gazeux de 2,66 Pa environ (20 mTorrs) dans le système température du support en abscisses et pression partielle en SiH4 gazeux en ordonnées, la SEG est effectuée selon une croissance à basse pression de vapeur (en anglais : "by a low pressure vapor-phase growth") uniquement quand la température du support et la pression partielle SiH4 gazeux se trouvent à droite de ladite ligne frontière (c'est-à-dire du c8té des températures élevées).
On a décrit ci-après pourquoi ce phénomène se produit. Plus la température du support est grandement augmentée la liberté ou flotation de surface (en anglais: "surface floating") d'un atome adsorbé devient forte et il devient facile pour un atome adsorbé d'adhérer à un site d'imperfection (en anglais : "kink site") sur le Si monocristallin en tant que germe, alors la croissance épitaxiale s'effectue facilement. Cependant, en même temps une possibilité de dérobade, diversion ou déplacement (en anglais : "disrobing")de l'atome adsorbé augmente et la vitesse de croissance décroît rapidement.Le site d'imperfection sur le film de Si02 amorphe est nettement inférieur à celui du germe dans l'ouverture et pratiquement chaque atome adsorbé sur le film de SiO2 amorphe est diverti avant d'adhérer au site d'imperfection, par suite il devient possible que la
SEG soit réalisée. Le'phénomène précité intervient de façon notable dans le cas où la pression de SiH4 gazeux est grandement diminuée, c'est-à-dire, dans le cas de conditions de vide très poussé (ultra-vide).
Cependant, quand la température du support et la pression partielle en SiH4 gazeux sont fixées dans la région hachurée de la figure 4, la couche de Si monocristallin croit uniquement sur le support Si monocristallin sans formation d'une couche Si sur le film de SiO2, c'est-à-dire que la SEG est mise en oeuvre.
A la figure 5, on a donné un profil d'impuretés (oxygène, carbone) au voisinage de l'interface entre le film de Si monocristallin 5 formé par la croissance épitaxiale en phase solide du film a-Si 4 et la couche 3 de Si monocristallin formée par croissance épitaxiale sélective selon le premier mode de réalisation. La comparaison de ce profil avec celui de la figure 1, montre que, quand les modalités ne sont pas mises en oeuvre sous des conditions d'ultra-vide de façon continue, que la valeur de pic de la concentration en impuretés au voisinage de l'interface film de Si monocristallin 5/couche de
Si monocristallin 3 diminue. Par suite, la longueur de croissance lors de la croissance épitaxiale solide latérale du film a-Si 4 va jusqu'à 7 ou 8 micromètres selon le premier mode de réalisation.
SECOND MODE DE REALISATION
Le procédé de formation selon un second mode de réalisation va être décrit ci-après par référence à la figure 6.
Un film 2 de SiO2 est formé sur la surface d'un support 1 de Si monocristallin [ cf. figure 6(A) ] , et une ouverture ou fenêtre 2a est formée sélectivement sur celui-ci [ cf. figure 6(B) ] . Ensuite, après que la surface ait été nettoyée par pulvérisation cathodique d'argon [ cf. figure 6(C) ] , une couche 3 de Si monocristallin est mise à croître selon une croissance épitaxiale sélective de la seule portion de germe la [cf. figure 6(D) ] . Comme les modalités mises en oeuvre ensuite sont réalisées de la même manière que dans le premier mode de mise en oeuvre, la description détaillée desdites modalités a été résumée ci-après.
Quand la couche 3 de Si monocristallin est mise à croître jusqu une épaisseur prédéterminée, l'apport de
SiH4 gazeux est arrêté et le réacteur est purgé pendant plusieurs minutes au moyen de Ar gazeux. Puis, après qu'on ait atteint les conditions d'ultra-vide, on ~abaisse la température du support jusqu'à 5500C
Quand la température du support a atteint 5500C,
SiH4 gazeux et PH3 gazeux tà la concentration de 5% dans de l'hydrogène intervenant en tant que diluant) sont envoyés par la conduite d'arrivée de gaz 14, l'évacuation du mélange gazeux étant effectuée par le conduit 15. Un film 6 de a-Si dopé en phosphore (ci-après : "P-dopé") est formé sur une épaisseur de 300 nm environ sur toute la surface du support (couche 3 de Si monocristallin et film 2 de SiO2) [cf. figure 6(E) ] .Les conditions de croissance du film a-Si 6 sont, par exemple, une température du support de 5500C, un débit de SiR4 gazeux de 200 cm3/minute et un débit de 40 cm3/minute pour le
PH3 gazeux à 5% dans H2, la pression à l'intérieur du réacteur 11 étant de 8 x 102 Pa environ (6 Torrs) et la vitesse de croissance étant d'environ de 10 nm/minute.
Quand le film a-Si 6 est complètement formé, on arrête l'apport de SiH4 gazeux et de PH3 gazeux et on introduit à la place de ces gaz de l'argon gazeux dans le réacteur 11 à un débit de 500 cm3/minute, de telle façon que les SiH4 gazeux et PH3 gazeux demeurant encore dans ledit réacteur Il soient évacués (purge).
Après la purge, les matières gazeuses sont évacuées au moyen du conduit 16 de façon que le réacteur 11 se retrouve dans des conditions d'ultra-vide. Ensuite, on élève la température du support jusqu'à 6000C pour entreprendre la croissance épitaxiale en phase solide du film a-Si 6. Pendant que l'on maintient la température du support à 6000C, le film a-Si 6 est recuit pendant une durée d'environ 12 heures pour être monocristallisé et donner un film de Si monocristallin 7 [cf. figure 6(F) ] .
A la suite de la mono cristallisation du film a-Si 7 (formation du film de Si monocristallin 7), en maintenant les conditions d'ultra-vide, on élève la température du support jusqu'à 9000C et on recuit le film 7 pendant environ 2 heures de façon à améliorer la qualité du film
Puis, tout en maintenant les conditions d'ultravide, on baisse la température du support jusqu' 8000C.
Quand la température est stabilisée à 8000C, l'évacuation de gaz est reliée au conduit d'évacuation 15. SiH4 gazeux est introduit dans le réacteur 11 avec un débit de 20 cm3/minute sous une pression partielle de 6,66 Pa environ (50 mTorrs) pour former ainsi un film de Si monocristallin 8 ayant une épaisseur d'environ 1 micromètre, par croissance épitaxiale. Il se forme ainsi un film de Si monocristallin 8 non-dopé [cf. figure 6(G) ] .
La figure 7 est une photographie prise au moyen d'un microscope électronique par transmission montrant la structure cristalline de la structure SOI obtenue selon le procédé du deuxième mode de réalisation. La figure 8 est une photographie d'une image de diffraction électronique par transmission montrant la structure cristalline au voisinage du film 2 de SiO2 et de la couche 3 de Si monocristallin. On reconnaît de la figure 8 que le film 8 de Si monocristallin représente une configuration cristalline favorable. D'autre part, on comprend de la figure 9 qu'un spot double (en anglais "twin spot") est observé au voisinage du film 2 de Si02 et de la couche 3 de Si monocristallin.Les défauts d'accrochage que l'on trouve au voisinage de la couche 3 de Si monocristallin disparaissent au milieu de la croissance épitaxiale et en conséquence le film 8 de Si monocristallin formé dans la couche supérieure a une configuration cristalline favorable.
TROISIEME MODE DE REALISATION
Le procédé de formation selon un troisième mode de réalisation est décrit ci-après par référence à la figure 10.
Un film 2 de SiO2 est formé sur un support 1 de
Si monocristallin [ cf. figure 10(A) ] , et une ouverture 2a est formée sélectivement sur ledit support [cf. figure 10(B) ] . Après que le support ait été nettoyé par pulvérisation cathodique d'argon [ cf. figure lOÇC) ] , on forme sélectivement un film 3 de Si monocristallin, uniquement sur la portion de germe la, par croissance épitaxiale [ cf. figure 10(D) ] . Puis, un film a-Si P-dopé 6 est formé [cf. figure lO(E) ] . Les modalités de passage des figures 10 (A) à 10 (E) sont les mêmes que celles du second mode de réalisa-tion, par suite leur description détaillée a été abrégée.
Un film a-Si non-dopé 9 est formé sans être dopé en impureté sur le film a-Si 6 [cf. figure 10(F) ] . Le film a-Si P-dopé 6 et le film a-Si non-dopé 9 sont re cuits simultanément à une température du support de 6000C pour la mise# en oeuvre de la croissance épitaxiale en phase solide, de façon à former un film de Si monocristallin non-dopé 10 sur la surface de dessus (en anglais : "uppermost") du support [cf. figure 10(G) ] .
Dans les second et troisième modes de réalisation, le film de Si monocristallin non-dopé croit par croissance épitaxiale après que le film de Si monocristallin P-dopé ou le film a-Si ait été formé. En conséquence, le film de Si monocristallin obtenu par croissance épitaxiale a une aire considérablement accrue.
Dans ce cas, comme la portion P-dopée est limitée à une couche inférieure très fine et comme la température du support est montée principalement à 8000C environ lors de la croissance épitaxiale, aucune influence néfaste, qui pourrait résulter d'une augmentation de la concentration en impuretés due à la rediffusion des impuretés, ne se produit dans la fabrication d'un dispositif semiconducteur.
Dans chacun des modes de réalisation précédents, bien qu'un support de Si monocristallin ait été utilisé en tant que support semi-conducteur monocristallin, un support ayant une couche de Si monocristallin sur sa surface peut être utilisé.
De plus, pour la croissance épitaxiale sélective de la couche de Si monocristallin et pour le dépôt du film a-Si, la méthode de dépôt chimique au moyen d'une phase vapeur (CVD) à basse pression utilisant SiH4 gazeux intervient dans chaque mode de réalisation. Toutefois, il est possible que la croissance de Si intervienne sélectivement au moyen d'une méthode dite d'épitaxie par faisceau moléculaire [ en abrégé :MBE (de l'anglais "molecular beam epitaxy") ] avec une source de gaz, et formation séquentielle du film a-Si, ou croissance sélective de Si au moyen de l'utilisation d'un système
SiH2Cl-HCl-H2 ou de Si2H6 gazeux puis formation ensuite du film a-Si.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés dans les dessins, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de métier, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention, notamment en utilisant des moyens - éqnivalent s.

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Procédé pour la formation d'une structure SOI ayant un film de silicium monocristallin formé sur un film isolant, caractérisé en ce qu'il comprend
un premier stade de formation d'un film isolant (2; figures 3, 6, 10) sur un support semi-conducteur monocristallin (1);
un second stade de formation sélective d'une ouverture (2a) dans ledit film isolant de façon que la surface (la) dudit support semi-conducteur monocristallin soit exposée;
un troisième stade de formation sélective d'une couche semi-conductrice monocristalline (3) sur la portion exposée dudit support semi-conducteur monocristallin par croissance épitaxiale dans un réacteur; et,
un quatrième stade de formation d'un film de silicium monocristallin (4) sur ledit film isolant (2) et sur ladite couche semi-conductrice monocristalline (3) dans ledit réacteur, par croissance épitaxiale, ladite couche semi-conductrice monocristalline intervenant en tant que germe.
2. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant la revendication 1, dans lequel ledit support semi-conducteur monocristallin (1) est un support de silicium monocristallin.
3. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant la revendication 1, dans lequel ledit support semi-conducteur monocristallin (1) est un support comportant sur sa surface une couche de silicium mono cristal- lin.
4. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant la revendication 1, dans lequel la couche semiconductrice monocristalline (3) est une couche de silicium monocristallin.
5. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 4, dans lequel ledit troisième stade comprend l'étape de croissance sélective de ladite couche de silicium monocristallin par croissance épitaxiale avec phase vapeur de faible pression et décomposition thermique de
SiH4 gazeux.
6. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant la revendication 5, dans lequel la décomposition thermique est effectuée dans des conditions telles que la température dudit support semi-conducteur monocristallin et la pression partielle dudit SiH4 gazeux se trouve dans la région des hautes températures par rapport à une ligne frontière passant par un point ayant une température du support de 8900C et une pression partielle en SiH4 gazeux de O Pa, et, un point ayant une température du support de 9500C et une pression partielle en SiH4 gazeux de 2,66
Pa environ (20 mTorrs) dans le système température du support en abscisses et pression partielle en SiH4 gazeux en ordonnées.
7. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant la revendication 1, dans lequel le vide de base dans lesdits troisième et quatrième stades est inférieur ou égal à 1,33 x 10 5 Pa (10 7 Torr).
8. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant la revendication 1, dans lequel le quatrième stade comprend
- l'étape de formation d'un film de silicium amorphe sur ledit film isolant et ladite couche semiconductrice monocristalline ; et
- l'étape de recuit dudit film de silicium amorphe à monocristalliser.
9. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant la revendication 1, dans lequel ledit quatrième stade comprend
- l'étape de formation d'un film de silicium amorphe dopé avec des impuretés sur ledit film isolant et ladite couche semi-conductrice monocristalline;
- l'étape de recuit dudit film de silicium amorphe à monocristalliser; et
- l'étape de croissance, d'un film de silicium monocristallin sur le film de silicium monocristallisé par croissance épitaxiale.
- l'étape de croissance du film de silicium mono cristallin sur le film de silicium recuit par croissance épitaxiale.
- l'étape de recuit du film de silicium monocristallisé ; et
- l'étape de recuit dudit film de silicium amorphe à monocristalliser;
- l'étape de formation d'un film de silicium amorphe dopé avec des impuretés sur ledit film isolant et ladite couche semi-conductrice monocristalline;
10. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant la revendication 1, dan#s lequel le quatrième stade comprend
11. Procédé pour la formation d'une structure SOI suivant la revendication 1, dans lequel le quatrième stade comprend
- l'étape de formation d'un film de silicium amorphe dopé avec des impuretés sur ledit film isolant et ladite couche semi-conductrice monocristalline;
- l'étape de formation d'un film de silicium amorphe non-dopé sur ledit film de silicium amorphe ; et
- l'étape de recuit desdits films de silicium amorphe dopé et de silicium amorphe non-dopé à monocristalliser.
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