FR2804542A1 - Procede et dispositif pour la formation de couches minces de composes de silicium et de germanium - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de réalisation de couches épitaxiales de composés de Silicium (Si) et de Germanium (Ge), comportant :- l'introduction, dans une chambre d'épitaxie (6), d'un gaz porteur, d'un gaz d'un composé du Silicium et d'un gaz d'un composé du Germanium, le taux d'humidité dans le mélange de ces gaz étant inférieur à 2 ppm,- la réalisation de la croissance épitaxiale, à une température inférieure à 750degre C.L'invention s'applique également à la réalisation de couches épitaxiales de composés de Silicium (Si) de Germanium (Ge) et de Carbone.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA FORMATION DE COUCHES MINCES DE COMPOSES DE SILICIUM ET DE GERMANIUM DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L'invention concerne le domaine de la micro-électronique, et en particulier les procédés de formation de composés du Silicium sous la forme de couches minces.
Dans le domaine de la micro-électronique, le Silicium occupe une place essentielle, puisqu'il constitue un matériau utilisé de manière prédominante dans la réalisation de dispositifs aussi différents que les transistors bipolaires ou les transistors CMOS.
II entre dans la composition de composants ayant des applications aussi bien dans le domaine de l'électronique analogique que dans le domaine de l'électronique digitale, notamment par des applications à faible consommation de puissance et à haute fréquence.
Cependant, pendant très longtemps, les composés à base de Silicium n'ont pu être utilisés dans les applications mettant en oeuvre des commutations à haute vitesse ainsi que dans le domaine opto électronique, pour la réalisation d'émetteurs et de récepteurs de lumière, ou de détecteurs de lumière. Pour ces applications, on a utilisé exclusivement les composés III-V, et en particulier les composés GaAs, du fait des caractéristiques particulières de leurs bandes interdites, et des possibilités de faire varier les largeurs de bande en combinant ou en utilisant des alliages de compositions légèrement différentes l'une de l'autre.
II est maintenant possible de réaliser des couches minces, par épitaxie, de composés du Silicium et du Germanium. Ainsi, s'ouvrent aux composés du Silicium de nouvelles perspectives d'application, et notamment dans les domaines fui ont été évoqués ci-dessus (opto électronique en particulier). La qualité des couches de composés du Silicium et du Germanium, obtenues actuellement par épitaxie, peut être très variable et très fluctuante. En particulier, dans certains cas, des couches à croissance non uniforme ont été obtenues.
II se pose donc le problème de trouver des conditions opératoires permettant d'obtenir des couches de composés du Silicium, et en particulier des couches de composés du Silicium et du Germanium, de meilleure qualité.
EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a pour objet un procédé de réalisation de couches épitaxiales de composés de Silicium (Si) et de Germanium (Ge), comportant - l'introduction, dans une chambre d'épitaxie, d'un gaz porteur, d'un gaz d'un composé du Silicium et d'un gaz d'un composé du Germanium, le taux d'humidité dans le mélange de ces gaz étant inférieur à 2 ppm (en volume), - la réalisation de la couche épitaxiale à une température inférieure à 750 C, par exemple comprise entre 450 et 700 C.
Un tel procédé permet d'obtenir des couches épitaxiales de composition Si,_,Ge, (0 < x < _ 1).
De préférence le taux d'humidité dans le mélange de gaz porteur et de gaz réactifs est inférieur à 1 ppm (en volume).
De telles concentrations permettent d'obtenir une croissance cristalline de la couche épitaxiale, croissance qui n'est pas observée pour des taux d'humidité au-delà de 2 ppm.
Par ailleurs, à moins de 750 C, la diffusion d'impuretés ou de dopants dans le Silicium est réduite par rapport à ce qui se produit pour des températures plus élevées, de l'ordre de 900 C ou 1000 C, et il en résulte, là encore, des couches épitaxiales de meilleure qualité. L'invention propose donc de nouvelles conditions opératoires pour la réalisation de composés du Silicium et du Germanium, par croissance épitaxiale.
L'invention s'applique également à un procédé de réalisation de couches épitaxiales de composés de Silicium (Si), de Germanium (Ge) et de Carbone (C), comportant - l'introduction, dans une chambre d'épitaxie, d'un gaz porteur, d'un gaz d'un composé du Silicium, d'un gaz d'un composé du Germanium, et d'un gaz d'un composé du Carbone, le taux d'humidité dans le mélange de ces gaz étant inférieur à 2 ppm,.
- la réalisation de la couche épitaxiale à une température inférieure à 750 C, par exemple comprise entre 450 et 700 C.
On peut ainsi réaliser des couches de compositions Si,_,_yGeXCy (0 < <B>0</B> < _<B>y</B> < 1).
Là encore, le choix d'un taux d'humidité inférieur à 2 ppm, et de préférence inférieur à 1 ppm, permet d'obtenir une croissance cristalline de la couche épitaxiale. La limitation de la température à une valeur maximale d'environ 750 C améliore également la qualité de la couche obtenue, puisque la diffusion d'impuretés ou de dopants dans le Silicium est réduite.
L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Elle concerne donc un dispositif pour réaliser une couche épitaxiale, comportant - une chambre d'épitaxie, - des moyens pour alimenter la chambre d'épitaxie avec un gaz porteur, et, au moins, un composé du Silicium et un composé du Germanium, le taux d'humidité dans le mélange de ces gaz étant inférieur à 2 ppm, - des moyens pour maintenir la chambre d'épitaxie à une température inférieure à 750 C en cours de croissance épitaxiale. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un dispositif permettant de réaliser une croissance épitaxiale selon l'invention; - les figures 2A et 2B sont des exemples d'évolution de la concentration en humidité, dans une chambre de croissance épitaxiale, en fonction du temps; - les figures 3A et 3B sont des exemples de couches obtenues, avec des taux d'humidité différents.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention va être décrit en liaison avec la Figure 1. Sur cette figure, la référence 2 désigne un sas d'introduction, la référence 4 une chambre de transfert et la référence 6 une chambre à quartz à l'intérieur de laquelle la croissance épitaxiale est réalisée.
Une porte 12 sépare la chambre de transfert 4 et la chambre en quartz 6.
Des lampes 8, 10 disposées de part et d'autre de la chambre en quartz permettent de chauffer la plaque (le "wafer" en terminologie anglo- saxonne) sur laquelle la croissance est réalisée, et d'atteindre la température voulue lors de la croissance épitaxiale. Cette température est de préférence comprise entre 750 C et 400 C, elle est par exemple égale à 450 C ou à 650 C ou à 700 C. A ces températures, la diffusion d'impuretés ou de dopants dans le Silicium est réduite. De plus, le procédé de croissance épitaxiale de composés du Silicium, du Germanium, et éventuellement du carbone, est plus facile à mettre en oeuvre qu'à des températures de l'ordre de 900 C ou 1000 C En sortie, la chambre en quartz 6 est reliée à un conduit d'évacuation 22. Une pompe 26 permet d'évacuer les gaz de la chambre. L'injection d'un mélange de gaz porteur et de gaz réactifs a lieu à l'aide d'un conduit d'injection 13, situé du côté de la chambre 6 où se trouve la porte 12. La référence 15 désigne un ensemble de bouteilles de gaz (gaz porteur et gaz réactifs) ainsi que l'appareillage pour leur régulation de pression et de débit.
Afin de pouvoir déterminer les différentes sources de contamination, et en particulier le degré d'humidité pendant la croissance du composé SiGe; un hygromètre 16 est installé en sortie de la chambre 6.
La calibration de l'hygromètre est obtenue à l'aide d'échantillons à concentration ou teneur connue en humidité. Cette calibration est réalisée dans les mêmes conditions de température et de pression que celles de l'analyse.
Un procédé de croissance d'une couche SiGe (ou Sil_X GeX) est réalisé à basse pression (par exemple : 30 Torr) et à température dans la gamme indiquée ci-dessus, par exemple égale à environ 650 C.
Préalablement à la croissance elle-même, les étapes préliminaires suivantes peuvent être mises en ceuvre - nettoyage de la chambre 6 (à pression atmosphérique, et à une température supérieure à 1000 C, par exemple environ 1200 C).
- chargement du substrat (à pression atmosphérique, et à environ 650 C) - dégazage ("flash") du substrat (à environ 30 Torr, et 1050 C).
Après croissance de la couche mince de SiGe, la chambre 6 est purgée avec de l'hydrogène et le substrat est sorti de la chambre. Ces étapes ont lieu à pression atmosphérique, à environ 650 C. L'étape préliminaire de nettoyage est réalisée avec du gaz HCI, à pression atmosphérique. A haute température (supérieure à 1000 C), le HCI élimine toutes les couches pouvant être déposées sur la surface intérieure de la chambre. Ainsi, on élimine toute contamination ultérieure du substrat par des particules provenant d'une couche déposée antérieurement. Cette étape de nettoyage dépend de la propreté de la chambre, et elle a une durée de l'ordre de quelques minutes qui dépend de l'épaisseur de la couche à nettoyer. La concentration de HCI dans le H2 est quant à elle comprise entre 20 % et 100 %.
Après l'étape de nettoyage, la température est diminuée à la valeur qu'elle aura au cours du procédé de croissance (à 650 C, dans l'exemple donné ci-dessus). La chambre est purgée par de l'hydrogène, à pression atmosphérique. Puis un substrat est chargé dans le sas de charge 2, et transféré à la chambre 6 via la chambre de transfert 4. Les sas et la chambre de transfert 4 sont purgés avec de l'azote à la pression atmosphérique. La porte 12 est ouverte seulement lorsque la chambre 6 est à pression atmosphérique, sous atmosphère d'hydrogène. Une fois que le substrat est chargé dans la chambre 6, la pression dans cette dernière est réduite à environ 30 Torr, par pompage.
Le substrat est protégé par une couche mince native de Si02, formée à sa surface par réaction à l'air. Avant de démarrer l'étape de croissance épitaxiale, cette couche est éliminée par un chauffage du substrat, à une température comprise entre environ 1200 C et 1000 C, sous flux d'hydrogène. Cette étape de dégazage dure environ quelques minutes, sa durée exacte dépendant de l'épaisseur de la couche d'oxide natif.
Après dépôt ou croissance de la couche SiGe, la pression dans la chambre est ramenée à la pression atmosphérique. Le substrat peut ensuite être de nouveau transféré dans la chambre 4, puis dans le sas 2.
L'étape de croissance du film SiGe met en oeuvre une réaction, dans la chambre 6, entre des gaz réactifs mélangés à un gaz porteur. Dans le cas du SiGe, les gaz réactifs sont respectivement du Silane (SiH4) et du Germane (GeH4) dans de l'hydrogène. La réaction a lieu à une température comprise entre 750 C et 400 C, par exemple à environ 650 C, et à une pression d'environ 30 Torr.
Le rapport des concentrations de SiH4 et de GeH4 est ajusté pour obtenir la concentration désirée de Ge dans SiGe. Les débits de Germane et de Silane sont de l'ordre de la centaine de cm3 standard/minute, dans un gaz porteur hydrogène au débit compris entre 20 et 50 litres standard/minute.
L'étape de croissance dure en général quelques minutes. Dans l'exemple ci-dessus, elle dure environ 5 minutes. A titre indicatif, les couches obtenues ont une épaisseur comprise entre par exemple quelques nanomètres et quelques centaines de nanomètres.
Les figures 2A et 2B représentent toutes deux l'évolution temporelle de la concentration en humidité, dans la chambre 6, avant, pendant, et après l'étape de croissance cristalline.
Le taux d'humidité des gaz utilisés a pu être testé.
Ainsi, l'azote utilisé pour purger le sas 2 et la chambre de transfert 4 a été contrôlé à moins de 20 ppb d'humidité.
Dans les deux cas, on a pris soin de s'assurer que les taux d'humidité dans les gaz N2 et HCI utilisés étaient inférieurs à 1 ppm (en volume). De même, il a été vérifié qu'aucune humidité n'est introduite, lorsque la porte 12 est ouverte, la chambre 6 étant sous atmosphère d'hydrogène, et ceci qu'un substrat soit introduit, ou pas, dans la chambre 6.
Enfin, il a été vérifié que les concentrations en CH4, CO, C02, C"Hm de l'hydrogène utilisé sont toutes très faibles, entre quelques ppb et 150 ppb (en volume).
La seule quantité variable est donc la teneur en humidité du mélange constitué par le gaz porteur (H2) et les gaz réactifs (SiH4 et GeH4). Plus précisément, sur chacune des figures 2A et 2B, une première partie de la courbe (AI, A2) correspond à la concentration d'humidité dans le gaz porteur, lorsque celui-ci est présent dans la chambre, à pression atmosphérique. Dans le premier cas (Fig. 2A) la concentration d'humidité est comprise entre 10 et 20 ppm (en volume). Elle est inférieure à 1 ppm (en volume) dans le second cas.
Les pics B, et B2 correspondent à l'établissement d'une faible pression (à quelques dizaines de Torr) dans la chambre 6 : des traces d'humidité, adsorbées sur les parois de la chambre, sont encore présentes, mais ne sont plus diluées dans l'atmosphère de gaz porteur, ce qui explique leur plus grande importance relative.
Les zones CI et C correspondent à l'étape de croissance épitaxiale. Les gaz réactifs, mélangés aux gaz porteurs, sont introduits dans la chambre 6, ce qui diminue la concentration totale d'humidité dans cette dernière.
Enfin, dans les zones Di et D2 la pression dans la chambre est ramenée à la pression atmosphérique, ce qui diminue là encore la concentration des impuretés dans l'ensemble de la chambre 6.
Chacune de ces deux courbes correspond à un certain taux d'humidité dans le gaz porteur, ou plus précisément dans le mélange de gaz porteur et de gaz réactif(s) introduit dans la chambre 6. Dans le premier cas, ce taux est compris entre 10 et 20 ppm, et est donc nettement supérieur au taux du second cas, qui est, lui, inférieur à 1 ppm.
Les couches obtenues dans les deux cas sont représentées en figures 3A et 3B. Plus précisément, ces figures représentent des clichés, au microscope électronique, d'une coupe des couches obtenues.
Dans le premier cas (Fig. 3A) on voit clairement que la croissance réalisée n'est pas une croissance cristalline, au contraire du deuxième cas (Fig. 3B).
D'une manière générale, une croissance épitaxiale correcte (croissance cristalline) est obtenue lorsque le mélange constitué des gaz réactifs et du gaz porteur a une teneur en humidité inférieure à 2 ppm, et de préférence inférieure à 1 ppm. A des concentrations plus élevées, la couche obtenue a un aspect de type "polysilicium".
L'invention a notamment été décrite dans le cadre de la réalisation de couches de composition Si,,Ge,, (0 < x < _ 1), à partir de Silane, de Germane et d'Hydrogène.
Elle s'applique également à la réalisation de couches de composition Si,_X_YGeXCy (0 < x < _ 1, 0_ < y < 1), obtenues avec les gaz réactifs SiH4, Gel-14, CH3 SiH3, le gaz porteur étant encore de l'Hydrogène. Dans ce cas, les mêmes conditions s'appliquent sur le taux d'humidité du mélange introduit dans la chambre 6 : une croissance cristalline est obtenue pour un taux d'humidité inférieur à 2 ppm, et de préférence inférieur à 1 ppm, et ceci pour une température de croissance épitaxiale de préférence comprise entre 750 C et 400 C, par exemple égale à 450 C ou à 650 C ou à 700 C. Là encore, pour cette gamme de température ou ces températures, la diffusion d'impuretés ou de dopants dans le Silicium est réduite.
Si le mélange des gaz utilisés contient un taux d'humidité supérieur à 1 ou 2 ppm, on utilisera un moyen purificateur, disposé sur le trajet de l'alimentation 13 en gaz, afin d'obtenir, à l'entrée de, ou dans, la chambre 6, un taux d'humidité inférieur à 1 ou 2 ppm.
Claims (16)
1. Procédé de réalisation de couches épitaxiales de composés de Silicium (Si) et de Germanium (Ge), comportant - l'introduction, dans une chambre d'épitaxie (6), d'un gaz porteur, d'un gaz d'un composé du Silicium et d'un gaz d'un composé du Germanium, le taux d'humidité dans le mélange de ces gaz étant inférieur à 2 ppm, - la réalisation de la croissance épitaxiale, à une température inférieure à 750 C.
2. Procédé selon la revendication 1, le taux d'humidité dans le mélange de gaz porteur et des gaz de composés du Silicium et du Germanium étant inférieur à 1 ppm.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, la couche épitaxiale étant de composition Si,_XGex (0 < x < _ 1).
4. Procédé de réalisation de couches épitaxiales de composés de Silicium (Si), de Germanium (Ge) et de Carbone (C), comportant - l'introduction, dans une chambre d'épitaxie (6), d'un gaz porteur, d'un gaz d'un composé du Silicium, d'un gaz d'un composé du Germanium, et d'un gaz d'un composé du Carbone, le taux d'humidité dans le mélange de ces gaz étant inférieur à 2 ppm, - la réalisation de la croissance épitaxiale, à une température inférieure à 750 C.
5. Procédé selon la revendication 4, le taux d'humidité du mélange de gaz porteur, et des gaz de composés du Silicium, du Germanium et du Carbone étant inférieur à 1 ppm.
6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, la couche épitaxiale étant de composition Si,_x_yGexCy (0 < x < _ 1, 0 < _ y < 1).
7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, le gaz d'un composé du Carbone étant de composition CH3 SiH3.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, la température de réalisation de la couche épitaxiale étant comprise entre 700 C et 450 C.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, le gaz d'un composé du Silicium étant du Silane (SiH4).
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, le gaz d'un composé du Germanium étant du Germane (GeH4).
11. Dispositif pour réaliser une couche épitaxiale, comportant - une chambre d'épitaxie (6), - des moyens (13, 15) pour alimenter la chambre d'épitaxie (6) avec un gaz porteur, et, au moins, un composé du Silicium et un composé du Germanium, le taux d'humidité dans le mélange de ces gaz étant inférieur à 2 ppm, - des moyens (8, 10) pour maintenir la chambre d'épitaxie (6) à une température inférieure à 750 C en cours de croissance épitaxiale.
12. Dispositif selon la revendication 11, la chambre d'épitaxie étant également alimentée avec un composé de Silicium et de Carbone.
13. Dispositif selon la revendication 12, le composé du Silicium et du Carbone étant du CH3SiH3.
14. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 13, le taux d'humidité dans le mélange de gaz étant inférieur à 1 ppm.
15. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, le gaz d'un composé du Silicium étant du Silane (SiH4).
16. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 15, le gaz d'un composé du Germanium étant du Germane (GeH4).
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20101029 |