FR2900275A1 - Procede de formation d'une portion monocristalline a base de silicium - Google Patents

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Abstract

Une portion monocristalline (1) à base de silicium est réalisée sur un substrat (100), sélectivement dans une zone (101) où un matériau monocristallin est initialement découvert. La portion est réalisée en dehors de zones où la surface (S) du substrat est en matériau isolant (102). La portion monocristalline est formée à partir d'un mélange gazeux comprenant un précurseur de silicium du type hydrure non-chloré, du chlorure d'hydrogène et un gaz porteur. Le procédé permet de réduire une température de chauffage du substrat nécessaire pour former la portion monocristalline par croissance épitaxiale sélective.

Description

PROCEDE DE FORMATION D'UNE PORTION MONOCRISTALLINE A BASE DE SILICIUM La
présente invention concerne un procédé de formation d'une portion monocristalline à base de silicium sur la surface d'un substrat. Elle peut être mise en oeuvre, en particulier, pendant la fabrication d'un circuit électronique intégré.
De multiples architectures de circuits électroniques intégrés nécessitent de réaliser, sur un substrat, des portions d'un matériau semiconducteur sensiblement monocristallin. De telles portions peuvent être utiles pour former, par exemple, des zones de sources et de drains de transistors MOS qui sont surélevées, c'est-à-dire qui sont situées au dessus de la surface du substrat, ou pour réaliser des transistors bipolaires à hétérojonctions. Il est connu de réaliser des portions sensiblement monocristallines à partir de parties découvertes du substrat, elles-mêmes en matériau monocristallin. Les parties du substrat en matériau monocristallin servent de germes à la formation des portions. Un tel mode de formation des portions est appelé croissance épitaxiale. En dehors des parties du substrat en matériau monocristallin, la surface du substrat peut être constituée de matériau isolant, tel que la silice (SiO2) ou le nitrure de silicium (Si3N4). Le matériau des portions formées est en général du silicium, ou un alliage de silicium et de germanium, qui peut aussi comprendre des atomes de carbone. Le procédé de dépôt qui est utilisé le plus souvent pour obtenir une croissance épitaxiale est le dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD pour Chemical Vapor Deposition en anglais. La couche est alors formée à partir de composés précurseurs gazeux qui sont amenés au contact de la surface du substrat, et qui réagissent chimiquement sur celle-ci. Un tel procédé est généralement mis en oeuvre dans une enceinte à pression réduite ( vacuum vessel en anglais). En utilisant le composé dichlorosilane (SiH2Cl2) comme précurseur gazeux du silicium, des portions sensiblement monocristallines sont formées dans les zones du substrat où la surface découverte est en un matériau -2- initialement monocristallin. Simultanément, des portions amorphes, ou éventuellement polycristallines, sont formées dans les zones du substrat où un matériau isolant est exposé, ou bien aucune portion n'est formée dans ces dernières zones. Dans ce dernier cas, le procédé de formation de la portion monocristalline est dit par croissance epitaxiale sélective. Le plus souvent, un mélange gazeux est utilisé, qui comprend, outre le composé de dichlorosilane, des molécules d'hydrogène (H2) et des molécules d'hydrure de germanium (GeH4). Les paramètres de dépôt comprennent les pressions partielles des composés gazeux, la température du substrat, ainsi qu'une quantité de chlorure d'hydrogène (HCI) qui est ajoutée au mélange. Ces paramètres peuvent être ajustés pour obtenir un degré déterminé de sélectivité du dépôt, entre des zones du substrat où la surface est en matériau monocristallin et des zones du substrat où la surface est en matériau isolant. Mais un tel procédé, qui est basé sur une utilisation du composé dichlorosilane, présente des caractéristiques cinétiques qui varient très rapidement en fonction de la température du substrat. Plus particulièrement, une sélectivité satisfaisante du dépôt n'est obtenue que pour des températures de substrat élevées, dans un intervalle de température qui est très réduit et dans un intervalle réduit de pression partielle de chlorure d'hydrogène. Il en résulte que les dépôts obtenus présentent des caractéristiques de reproductibilité médiocres, notamment en ce qui concerne leur sélectivité en fonction du matériau du substrat qui est découvert dans des zones différentes. En outre, la sélectivité obtenue dépend des dimensions des différentes zones du substrat. Enfin, les portions monocristallines qui sont formées dans des conditions sélectives à partir d'un mélange de dichlorosilane et de chlorure d'hydrogène présentent une faible vitesse de croissance. Le procédé de dépôt doit alors être poursuivi pendant une longue durée pour obtenir des couches qui ont des épaisseurs compatibles avec l'architecture du circuit électronique intégré. Le procédé de dépôt limite par conséquent le débit de fabrication réalisable dans une ligne de production de circuits électroniques intégrés. Il est aussi connu d'utiliser du disilane (Si2H6) et du chlore gazeux (Cl2) pour réaliser des dépôts sélectifs d'un matériau sensiblement monocristallin à base de silicium. En particulier, le disilane et le chlore peuvent être amenés -3- alternativement au contact du substrat, et la sélectivité des dépôts résulte d'un temps de latence au bout duquel un dépôt apparaît dans les zones du substrat où un matériau amorphe ou isolant est exposé. Mais un tel procédé n'est mis en oeuvre que dans des conditions de vide très poussé ( ultra-high vacuum ), et l'alternance entre l'introduction du disilane et celle du chlore nécessite des durées de traitement très longues. En outre, ce procédé présente une sensibilité vis-à-vis de la température du substrat qui est à peu près équivalente à celle de l'utilisation du dichlorosilane. Il rie permet donc pas d'améliorer significativement un rendement de fabrication de circuits électroniques intégrés, ni de diminuer l'exigence du contrôle de la température du substrat. Un but de la présente invention consiste à proposer un procédé de réalisation d'une portion monocristalline à base de silicium, qui est sélectif par rapport au matériau du substrat exposé dans des zones différentes, et qui ne présente pas les inconvénients indiqués ci-dessus. Pour cela, l'invention propose un procédé de formation d'au moins une portion sensiblement monocristalline à base de silicium sur une surface d'un substrat, sélectivement dans une première zone du substrat dans laquelle un matériau à base de silicium sensiblement monocristallin appartenant au substrat est initialement exposé, et en dehors d'une seconde zone du substrat dans laquelle est exposé un matériau autre que le matériau sensiblement monocristallin appartenant au substrat. Le substrat est chauffé et mis en contact, au niveau de sa surface dans les première et seconde zones, avec un mélange gazeux qui comprend des molécules d'au moins un hydrure de silicium non-chloré, des molécules de chlorure d'hydrogène et des molécules d'un gaz porteur. L'hydrure de silicium et le chlorure d'hydrogène ont des pressions partielles respectives comprises entre 0,01 et 0,3 Torr, et les molécules du gaz porteur ont une pression partielle comprise entre 10 et 100 Torr.
Ainsi, l'invention fournit un procédé de dépôt épitaxial d'un matériau à base de silicium, qui est sélectif par rapport au matériau initialement présent à la surface du substrat. La portion qui est formée dans la zone du substrat où la -4- surface est en matériau monocristallin est directement obtenue sous forme monocristalline, par croissance épitaxiale. Un traitement thermique ultérieur de cristallisation n'est donc pas nécessaire. En outre, aucun dépôt de silicium n'est formé sur le substrat dans la seconde zone, notamment lorsqu'un matériau isolant et/ou amorphe est exposé dans cette seconde zone. Un tel procédé selon l'invention est basé sur l'utilisation d'un composé de type hydrure non-chloré comme précurseur de silicium. Grâce à un tel choix du composé précurseur, la température à laquelle le substrat doit être chauffé pour former la portion monocristalline peut être plus basse. Cette température peut être, notamment, inférieure de 50 C aux températures utilisées dans les procédés de dépôt épitaxial sélectif connus avant la présente invention. Il en résulte que le budget thermique qui est subi par des parties déjà réalisées d'un circuit électronique intégré comprenant la portion de couche monocristalline est plus faible. En particulier, des diffusions atomiques qui interviennent entre des parties du circuit constituées de matériaux distincts sont moins importantes. En outre, grâce au faible budget thermique, le circuit peut contenir par ailleurs des portions de matériaux fragiles, métastables ou instables thermiquement, sans que ces portions soient altérées lors de la formation d'une portion monocristalline selon l'invention.
En outre, l'utilisation d'un composé de type hydrure non-chloré comme précurseur de silicium permet d'obtenir une formation plus rapide de la portion. Autrement dit, le système réactionnel utilisé possède une cinétique plus rapide. Des portions qui sont formées selon l'invention à des endroits différents d'un même substrat ont des épaisseurs sensiblement identiques. Une telle uniformité des épaisseurs résulte de la stabilité du procédé par rapport à d'éventuelles variations des paramètres de dépôt à l'intérieur d'une enceinte de traitement du substrat. Enfin, des dépôts successifs qui présentent une bonne répétitivité sont aisément obtenus par l'invention, étant donné que les paramètres de dépôt qui sont contrôlés peuvent être facilement mesurés avec précision. Le matériau sensiblement monocristallin appartenant au substrat qui est initialement exposé dans la zone où la portion monocristalline est formée, -5- dite première zone, peut être lui-même à base de silicium, éventuellement dopé, ou en un alliage de silicium et de germanium, qui peut comprendre en outre une certaine quantité de carbone. En dehors de cette première zone, le substrat peut comprendre des parties d'un matériau isolant électriquement exposées à sa surface, et/ou des parties d'un matériau amorphe. De façon préférée, un matériau de silice (SiO2) ou de nitrure de silicium (Si3N4) est exposé à la surface du substrat dans la seconde zone du substrat. En particulier, une sélectivité de dépôt est obtenue mêrne lorsque la zone d'exposition du matériau cristallin appartenant au substrat possède des dimensions réduites, notamment lorsqu'elle représente une surface 8 à 10 fois plus petite que la zone d'exposition du matériau isolant électriquement. Le composé de type hydrure de silicium non-chloré qui est utilisé peut être, en particulier, du monosilane (SiH4), du disilane (Si2H6) ou du trisilane (Si3H8). De tels composés sont disponibles commercialement et sont peu onéreux. Les molécules du gaz porteur peuvent des molécules d'hydrogène (H2) ou d'azote (N2). Eventuellement, le mélange gazeux peut comprendre en outre au moins un composé de germanium ou de carbone. La portion sensiblement monocristalline qui est formée dans la première zone du substrat incorpore alors des atomes de germanium ou de carbone. L'hydrure de germanium (GeH4) peut être choisi, en particulier, comme composé de germanium, et le méthylsilane (SiH3CH3) comme composé de carbone. Pour certaines applications de la portion monocristalline formée, la (les) quantité(s) du (des) composé(s) de germanium et/ou de carbone qui est(;sont) ajoutée(s) au mélange gazeux peut (peuvent) être ajustée(s) pour obtenir des contraintes prédéterminées dans la portion. Par exemple, des canaux de transistors MOS qui sont précontraints peuvent être réalisés de cette façon. De même, le mélange gazeux peut aussi comprendre un composé d'un élément dopant électriquement pour le silicium, pour la portion sensiblement monocristalline formée dans la première zone du substrat. A titre d'exemple, du diborure d'hydrogène (B2H6) peut être ajouté au mélange gazeux. Une quantité -6- du composé de l'élément dopant dans le mélange gazeux peut en outre être ajustée dans le mélange gazeux pour obtenir une concentration prédéterminée de l'élément dopant dans la portion sensiblement monocristalline. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après de deux exemples de mise en oeuvre non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de traitement d'un substrat adapté pour mettre en oeuvre un procédé selon l'invention ; et - la figure 2 illustre schématiquement un substrat de circuit électronique intégré traité conformément à un procédé selon l'invention. Pour raison de clarté, les dimensions des éléments représentés sur ces figures ne sont pas en proportion avec des dimensions ou rapports de dimensions réels. N est une direction perpendiculaire à une surface d'un substrat de circuit électronique intégré utilisé pour mettre en oeuvre l'invention.
N est orientée vers le haut des figures. Les mots sur et sous utilisés dans la suite le sont en référence à cette orientation. En outre, des références identiques sur les deux figures désignent des éléments identiques. Un substrat de circuit électronique intégré, référencé 100 sur les figures, est en silicium monocristallin. Ce peut être un substrat disponible commercialement, par exemple pour réaliser des circuits selon la technologie MOS (pour Metal-Oxide-Semiconductor ). Il présente une face supérieure plane, notée S. Des parties de matériau isolant 102 ont été formées dans le substrat 100, à partir de la surface S, pour définir des zones réduites 101 de la surface S dans lesquelles le matériau de silicium monocristallin du substrat 100 est exposé. Les parties 102 peuvent être, par exemple, en silice (SiO2), notamment lorsqu'elles sont du type STI, pour Shallow Trench Isolator en anglais. Les zones 101 de la surface S peuvent être destinées à la réalisation de composants électroniques actifs, et sont couramment appelées zones actives.
Conformément à la figure 1, le substrat 100 est placé dans une enceinte à pression réduite 10, connectée à une unité de pompage (non représentée) par un orifice d'évacuation 11. L'unité de pompage permet -7- d'établir une pression réduite à l'intérieur de l'enceinte 10, adaptée en fonction des traitements appliqués au substrat 100. Le substrat 100 est fixé sur un support 12, muni d'un système de chauffage 13. Une canalisation 14 permet d'introduire des gaz dans l'enceinte 10, de sorte que ces gaz viennent en contact avec la surface S du substrat 100. On décrit d'abord la formation de portions de silicium sensiblement pur sur la surface S du substrat 100. Pour cela, le substrat 100 est chauffé initialement à une température comprise entre 600 C et 750 C. Un mélange gazeux de monosilane (SiH4), de chlorure d'hydrogène (HCI) et d'un gaz porteur, qui peut être de l'hydrogène (H2), est introduit dans l'enceinte 10 par la canalisation 14. Alternativement, l'azote (N2) peut être utilisé en tant que gaz porteur. On entend par gaz porteur un gaz de dilution qui ne participe pas directement à une réaction chimique à l'intérieur de l'enceinte 10, mais qui contribue à l'établissement d'une pression gazeuse particulière pendant le traitement du substrat. Les débits respectifs du monosilane, du chlorure d'hydrogène et du gaz porteur peuvent être déterminés de sorte que ces gaz aient des pressions partielles respectives comprises entre 0,01 et 0,3 Torr pour le silane et le chlorure d'hydrogène, et entre 10 et 100 Torr pour le gaz porteur. Un tel procédé de dépôt est du type RTCVD, pour Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition en anglais. Dans ces conditions de température et de pressions partielles, des portions 1 (figure 2) sont formées par croissance épitaxiale dans les zones 101 de la surface S du substrat 100. Ces portions 1 croissent progressivement selon la direction N et présentent chacune une structure sensiblement monocristalline. Les portions 1 sont exclusivement formées dans les zones 101, avec une vitesse de croissance comprise entre 1 et 50 nm/min (nanomètre par minute), en considérant la variation de l'épaisseur des portions 1 selon la direction N. Le dépôt peut être poursuivi jusqu'à ce que les portions 1 présentent une épaisseur de 0,5 pm (micromètre) selon la direction N, par exemple. Les parties 102 restent découvertes : aucun dépôt n'est formé sur celles-ci. Selon une interprétation des inventeurs, le dépôt épitaxial sélectif qui 2900275 -s- est obtenu résulterait de mécanismes réactionnels basés principalement sur une chimie d'hydrure dans les zones 101, et basés sur des mécanismes faisant intervenir des entités de type chlorure sur les parties 102. Eventuellement, un composé précurseur d'élément dopant 5 électriquement peut être introduit dans l'enceinte 10 par la canalisation 14, simultanément au monosilane, au chlorure d'hydrogène et au gaz porteur. Lorsque l'élément dopant est le bore, le composé diborure d'hydrogène (B2H6) peut être utilisé. Lorsque l'élément dopant est le phosphore ou l'arsenic, les composés d'hydrure de phosphore (PH3) ou d'arsenic (AsH3) peuvent être 10 utilisés, respectivement. La quantité du composé de l'élément dopant qui est introduite dans le mélange gazeux peut alors être ajustée empiriquement, pour obtenir une concentration déterminée de bore, phosphore ou arsenic dans les portions 1. Des concentrations de dopage élevées peuvent ainsi être obtenues. Les portions 1 sont alors directement formées avec une valeur choisie de 15 conductivité électrique. La formation de portions 1 en alliage de silicium et de germanium, en utilisant l'invention, est maintenant décrite. Le substrat 100 est chauffé à une température comprise entre 450 C et 650 C et des molécules d'hydrure de germanium (GeH4) sont introduites dans l'enceinte 10 par la canalisation 14, 20 avec le mélange de monosilane, de chlorure d'hydrogène et de gaz porteur. La pression partielle des molécules d'hydrure de germanium peut être comprise entre 0,6 et 6 mTorr (milliTorr), et les pressions partielles des autres espèces gazeuses peuvent être identiques à celles citées plus haut dans le cas de la formation de portions 1 de silicium sensiblement pur. Dans ces conditions, des 25 portions 1 sont encore formées exclusivement dans zones 101 de la surface S du substrat 100, mais ces portions sont maintenant en alliage de silicium et de germanium. La teneur en germanium de ces portions 1 est comprise entre 10%at. et 25%at.. Il est précisé en outre que des dépôts épitaxiaux sélectifs d'alliage sont obtenus pour une pression partielle de l'hydrure de germanium 30 qui peut varier à l'intérieur d'un intervalle particulièrement large. Des portions 1 de silicium incorporant des atomes de carbone peuvent aussi être obtenues, en introduisant par exemple des molécules de -9- méthylsilane (SiH3CH3) simultanément aux autres gaz réactifs et au gaz porteur. Il est entendu que de nombreuses adaptations peuvent être introduites dans les mises en oeuvre de l'invention qui ont été décrites ci-dessus.
L'Homme du métier comprendra que les valeurs numériques qui ont été citées ne sont qu'indicatives, et peuvent être variées dans une large mesure tout en conservant certains au moins des avantages de l'invention. Lorsque le mélange gazeux comprend un composé de germanium, ce dernier peut avoir une pression partielle comprise entre 0,2 et 6 mTorr. En outre, le substrat 100 ~o qui est utilisé peut être en alliage monocristallin de silicium et de germanium, ou comporter des parties monocristallines en alliage ternaire de silicium, de germanium et de carbone, dans les zones 101 situées entre les parties isolantes 102. Enfin, des portions monocristallines formées selon l'invention peuvent 15 être utilisées pour de nombreuses applications. A titre d'exemple, on cite la réalisation de canaux précontraints de transistors MOS, en alliage de silicium et de germanium ou en silicium incorporant des atomes de carbone. Des zones de source et de drain surélevées peuvent aussi être obtenues en utilisant l'invention, notamment sur des substrats de type SOI-MOS (SOI pour Silicon 20 On Isolator ), et en particulier lorsque la couche superficielle de silicium monocristallin de ces substrats est très fine.

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Procédé de formation d'au moins une portion sensiblement monocristalline à base de silicium (1) sur une surface (S) d'un substrat (100), sélectivement dans une première zone (101) du substrat dans laquelle un matériau à base de silicium sensiblement monocristallin appartenant au substrat est initialement exposé, et en dehors d'une seconde zone (102) du substrat dans laquelle est exposé un matériau autre que ledit matériau sensiblement monocristallin appartenant au substrat, procédé suivant lequel le substrat (100) est chauffé et mis en contact, au niveau de ladite surface (S) dans lesdites première (101) et seconde (102) zones, avec un mélange gazeux comprenant des molécules d'au moins un hydrure de silicium non-chloré, des molécules de chlorure d'hydrogène et des molécules d'un gaz porteur, l'hydrure de silicium et le chlorure d'hydrogène ayant des pressions partielles respectives comprises entre 0,01 et 0,3 Torr, et les molécules du gaz porteur ayant une pression partielle comprise entre 10 et 100 Torr.
2. Procédé selon la revendication 1, suivant lequel un matériau de silice ou de nitrure de silicium est exposé à la surface du substrat (100) dans la seconde zone du substrat (102).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, suivant lequel l'hydrure de silicium non-chloré comprend du monosilane, du disilane ou du trisilane.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, suivant lequel les molécules du gaz porteur comprennent des molécules d'hydrogène et/ou des molécules d'azote.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, suivant lequel le substrat (100) est chauffé à une température comprise entre 600 C et 750 C.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, suivant lequel le mélange gazeux comprend en outre au moins un composé degermanium ou de carbone, et suivant lequel la portion sensiblement monocristalline (1) formée dans la première zone du substrat (101) incorpore des atomes de germanium ou de carbone.
7. Procédé selon la revendication 6, suivant lequel une quantité du composé de germanium ou de carbone dans le mélange gazeux est ajustée pour obtenir des contraintes prédéterminées dans la portion sensiblement monocristalline (1) formée dans la première zone du substrat (101).
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, suivant lequel le mélange gazeux comprend un composé de germanium, et suivant lequel le substrat 10 (100) est chauffé à une température comprise entre 450 C: et 650 C.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, suivant lequel le mélange gazeux comprend un composé de germanium ayant une pression partielle comprise entre 0,2 et 6 mTorr.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 suivant lequel le mélange gazeux comprend en outre un composé d'un élément dopant électriquement pour le silicium, et suivant lequel une quantité dudit composé de l'élément dopant dans le mélange gazeux est ajustée de sorte que la portion sensiblement monocristalline (1) formée dans la première zone du substrat (101) incorpore l'élément dopant selon une concentration 20 prédéterminée.
11. Procédé selon la revendication 10, suivant lequel la portion sensiblement monocristalline (1) formée dans la première zone du substrat (101) est une partie d'un transistor.
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