Brevet FR2020963A1 — publié le 19700717

La présente invention concerne un procédé de production de cristaux en film fin, et plus spécifiquement un procédé pour recristalliser des films minces de matériau polycristallin maintenus sur un substrat. Il est courant dans la fabrication des dispositifs semiconducteurs, parti-5 culièrement pour les dispositifs semiconducteurs à circuit intégré, de former et d'isoler des dispositifs actifs et passifs dans une pastille monocristalline de matériau semiconducteur. On réalise les pastilles monocristallines de départ par croissance d'un lingot monocristallin étiré, son découpage en plusieurs sections, et par rectification et polissage de ces sections. Actuellement, les 1q opérations de fabrication nécessaires pour former le dispositif sur les pastilles comprend un dépôt épitaxial, le masquage de surface, le décapage sélectif, la diffusion sélective, l'oxydation et passivation de la surface, et l'application ds bornes convenables. La fabrication des pastilles monocristallines est relativement longue st 15 coûteuse, nécessite un équipement spécial, et gaspille les matériaux semiconducteurs. De plus, les procédés connus de diffusion et d'isolement nécessitent de nombreuses opérations par lot qui ne facilitent pas l'automation. Afin de réduire le coût des dispositifs à l'état solide de circuit intégré, on désirs de nouvelles techniques pour permettre la formation des régions monocristalli-20 nés sur des substrats, de préférence de matériau isolant. On a fait des efforts pour éliminer la pastille de départ conventionnelle dans la fabrication des dispositifs â état solide. Dans ce but, on a essayé de nombreux procédés pour la production directe de monocristaux de matériau semiconducteur sous forme de corps minces et plats sur un substrat convenable 25 de matériau tel que le verre ou le graphite. Ces procédés nécessitent habituellement la décomposition thermiqueou la réduction d'un composé, contenant le matériau semiconducteur désiré, le dépfit du matériau dans un état monocristal-lin sur le substr at. Quelques unes de ces procédures ont nécessité l'utilisation d'un matériau d'activation tel que l'argent ou 1'aluminium pour facili-30 ter la croissance cristalline ou nuclêation du matériau semiconducteur dans les étapes de chauffage subséquentes. Ces procédures antérieures et l'appareil nécessaire pour les effectuer sont plux complexes qu'on le désire pour de nombreuses applications, ou ne permettent pas la croissance de monocristaux semiconducteurs de taille et de qualité significatives pour faciliter la fabrica-35 tion pratique des dispositifs semiconducteurs. On sait très bien que des films monocristallins peuvent être produits par croissance épitaxiale. Cependant, la nécessité principale d'une telle croissance est qu'elle se produise sur un substrat monocristallin du même matériau ou sur un autre matériau monocristallin ayant fondamentalement le même réseau cris-40 tallin 69 23605 2020963 On a proposé des procédés pour la croissance de film monocristallin sur des substrats monocristallins ou amorphes. On sait déposer un film de matériau cristallin ayant une structure microcristalline au hasard sur un substrat amorphe, choisir ensuite un cristal du film ayant l'orientation désirée comme germe 5 à partir duquel on fera croître un film de cristal, centrer le cristal choisi à l'intérieur de la source de chaleur, et régler l'intensité d'alimentation de chaleur pour fournir une fusion annulaire du film autour de cristal choisi. Un appareil à faisceau d'électrons est préférable comme source de chaleur. Un autre procédé de production de monocristaux est décrit dans le brevet U.S. 1q 3.335.038. Dans ce procédé, un film mince de matériau cristallin est déposé sous forme de vapeur sur un substrat de matériau polycristallin.-On chauffe alors le substrat résultant à une température au-dessus du point de fusion du film durant un temps suffisant pour fondre le film, et ensuite on refroidit le film à une température de 2Q°C à 1Q0°C au-dessous du point de fusion permet-.15 tant par là la solification du film. Lors du refroidissement, le film se cristal-' lise pour former des groupes de monocristaux larges minces et homogènes. Dans las procédés décrits ci-dessus, le choix du matériau substrat est limité puisque le substrat doit avoir un point de fusion plus élevé que le point de fusion du film à fondre. De plus, puisqu'il y a une fusion en cours du film, 20 la possibilité d'un dopage en retour à partir du substrat existe selon le matériau dont il est fait. En outre, avec te procédé mentionné en dernier, la localisation de la structure cristalline n'est pas possible. Un objet de cette invention est de fournir une technique de production d'une surcroissance cristalline orientée. 25 Un autre objet de cette invention est de fournir un nouveau procédé de production de monocristau important dans un film cristallin sur un substrat. Un autre objet de cette invention est de fournir un nouveau procédé pour lacroissance de monocristaux en film mince sur des substrats amorphes ou poly-cristallins. 30 Un autre objet de cette invention est de fournir un nouveau procédé pour produire une surcroissance orientée à l'intérieur d'un film cristallin sans refondre physiquement le film. Un autre objet de cette invention est de fournir un nouveau dispositif semiconducteur consistant en une surcroissance cristalline orientée maintenue 35 sur un substrat produit par recristallisation d'un film de matériau cristallin par un faisceau laser. En accord avec cette invention, on dépose un film de matériau cristallin sur un substrat convenable, de préférence un substrat amorphe ou polycristallin. On irradie au moins des parties.du film avec des impulsions de faisceau laser 40 ayant une intensité suffisante pour réorienter le réseau cristallin du film. 69 2360S 2020963 On ajuste de préférence l'intensité afin de ne pas entraîner la refusion du film. Le nouveau procédé de l'invention résout de nombreux problèmes associés aux procédés connus dans l'art antérieur pour obtenir la formation de monocris-5 taux, particulièrement des surcroissances cristallines. Dans ce procédé, les régions monocristallines peuvent être confinées dans des zones localisées utilisant ainsi les films amorphes ou polycristallins des alentours comme isolants.. En outre, en choisissant un substrat qui est relativement transparent au faisceau laser, on peut utiliser comme substrat des matériaux ayant un point de 1Q fusion significativement en-dessous du point de fusion du film cristallin. En outre, puisque l'on peut obtenir la réorientation du réseau cristallin sans fusion du film, le dopage en retour de la zone cristallisée par le substrat est minimisé ou virtuellement éliminé. On peut de plus adapter le procédé à l'automation qui une fois développée peut entraîner une réduction de prix si-15 gnificativs des dispositifs semiconducteurs. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexés à ce texte et qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. Les figures 1 et 2 sont des vues en coupe représentant des états de la 20 formation des réglons fines et homogènes monocristalllnes d'un premier matériau sous forme d'un film fin sur un substrat d'un second matériau. La figure 3 est une vue de dessus du film illustré dans la figure 2 montrant la structure monocristalline provenant du procédé'de l'invention. Les figures 4, 5, 6 et 7 sont des vues de face an coupe décrivant une série 25 d'étapes d'une réalisation préférée spécifique de l'invention pour la production de film fin dopé monocristallin de matériau semiconducteur sur un substrat. La figure 8 est une vue de face en coupe illustrant le dépôt d'une couche épitaxiale sur une région dopée et recristallisée. Figure 1, on montre, sur un substrat 12 de matériau isolant,un film mince 30 10 d'un matériau amorphe ou polycristallin. Le matériau du film 10 peut être tout matériau convenable, métallique ou semiconducteur. Les métaux que l'on peut déposer par le procédé de l'invention sont l'aluminium,' le cuivre et le tungstène, etc... Les matériaux semiconducteurs sont le silicium, le germanium, l'arseniure de gallium, l'indlum, l'antimoine, le sulphure de cadmium, etc.... 35 Cependant, on peut recristalliser tout matériau cristallin convenable par le procédé de l'invention. On connait très bien le désir d'obtenir des matériaux semicondticteurs monocristallins dans la fabrication des dispositifs de circuits intégrés et autres dispositifs électroniques. On a remarqué lors de la réformation des cris-40 taux dans des films métalliques, que les structures à grains importants rédui- L.M ■ 69 23605 4 :.J20963 sent le phénomène d'électro-migration. Ainsi, on peut désirer dans la fabrication des dispositifs de circuit intégré recristalliser les bandes métalliques particulièrement dans les régions sujettes à défaillance du fait de l'électro-rnigration. 5 Le film 10 de matériau amorphe ou polycristallin peut être déposé sur le substrat 12 par tout procédé convenable. Typiquement, on peut effectuer le dépôt par pulvérisation, selon les techniques des vapeurs, çJécomposition thermique, etc. En ce qui concerne les films semiconducteurs, en particulier les films de silicium, on peut les déposer par une des nombreuses techniques bien connues, 1q telles que la réduction thermique à une température élevés du trichlorosilane (SiH CLg), ou du tétrachlorure de silicium CSiCL^] par l'hydrogène gazeux, la décomposition pyrolytique d'un silarte CSiH^J ou d'un halogénure tel que le té-traiodûre de silicium (Sil^î ou la réaction de dismutation d'un dihalogénura de silicium. 0e-.telles opérations sont bien connues dans l'art des sècoiconduc-15 teurs, aussi n'ont-elles pas besoin d'être expliquées. Cependant, nous allons mentionner un procédé qui est d'utilisation courante. Un mélange de vapeur de triclorosilane et d'hydrogène gazeux balaye la surface supérieure du substrat 12 en le maintenant à une température élevée dans un réacteur (non figuré). La vapeur se décompose laissant un dépôt d'ions silicium suffisamment mobiles 20 à la température utilisés pour trouver des positions du réseau en équilibre sur le substrat 12. Ces atomes forment le film 10. Puisque le substrat 12 est un matériau polycristallin ou amorphe. Le film de silicium 1Q sera aussi polycristallin ou amorphe et aura une taille de grain substantiellement égale ou inférieure à celle du substrat. Si on le désire, le film semiconducteur 10 peut 25 comprendre des petites quantités d'un mtériau de dopage soit du type P ou N. Le dopant peut, si on le désire, être inclus dans le film durant son dépôt. Le film 10 peut être de l'épaisseur voulue. Lorsque le film est constitué d'un matériau métallique, son épaisseur est de préférence de l'ordre du micron. Cependant, si le film 10 est un matériau semiconducteur, son épaisseur est da 30 préférence entre 1 et 10 microns. Comme on l'expliquera plus tard, l'épaisseur du film 10 affecte directement les techniques de recristallisation. Le substrat 12 peut être tout matériau isolant convenable et de préférence avoir un point de fusion au-dessus du point de fusion du film mince 10. Les matériaux utilisés das les substrats 12 sont l'oxyde d'aluminium, le dioxyde 35 de silioiurn, le nitrure de silicium, le carbure de silicium, le diamant, le rubis etc... En outre, il est souhaitable que le matériau du susbstrat ne produire pas une action de dopage du film à des températures plus élevées. Nor-mallement on polit la surface du substrat 12 sur lequel on dépose le film 10 pour obtenir une surface presque parfaite. De préférence, on polit chimiquement 40 la surface pour éliminer les parties endommagées apparaissent normalement bad original 69 23605 2020963 lorsqu'on effectue mécaniquement le polissage. L'étape suivante de formation des films monocristallins est décrite dans la figure 2. On bombarde ou iradie une partie du film 10 avec un faisceau laser à impulsions 14. Lorsque l'on bombarde le film 10 avec une impulsion de 5 faisceau laser, une recristallisation se produit que l'on pense dûs principalement à l'énergie de vibration du réseau. Lorsque l'énergie du faisceau laser 14 est réglée convenablement, la cristallisation se produit sans aucune vaporisation du film 10. On ne comprend pas le mécanisme exact de recristallisation mais on pense que l'énergie est dissipée sous forme d'une onde de choc qui en-10 traîne une recristallisation instantanée du film dans la région que l'on a bombardée. On choisit la longueur d'onde du faisceau laser 14 de telle sorte que l'énergie du faisceau soit absorbée par le film mais non par le substrat 12 . Cependant, il se produit un échauffement naturel du film et par conséquent, du 15 substrat par conduction. Ainsi, il est souhaitable que le matériau du substrat puisse supporter des températures élevées modérément, de préférence jusqu'à 600°C sans aucun effet de dopage du film 10s Si l'énergie du faisceau est trop élevée, on fera fondre le film 10 ou dans les cas les plus extrêmes, on 1'évaporera. Cela n'est pas désirable. 20 Lorsque l'épaisseur du film 10 dépasse une certaine limite, on fondra le film ou 1'évaporera puisque la partie principale de l'énergie radiante est absorbée par la partie supérieure du film sans chauffer la partie inférieure, □ans des conditions idéales, la zone de film 10 bombardée par l'impulsion laser sera recristallisée et l'excès d'énergie émise sous forme de radiation à tra-25 vers le substrat 12. Un laser utilisable pour le procédé de l'invention est un laser à rubis O - ayant une longueur d'onde de 6.280 A avec unB énergie inférieure à une joule par impulsion. Afin d'obtenir l'intensité d'énergie désirée, dans le film on peut focaliser le faisceau, le défocaliser, lui faire traverser un filtre, ou 30 le masquer pour commander le niveau d'énergie. La figure 3 décrit une vue de dessus du monocristal résultant, produit par la technique montrée dans, les figures 1 et 2. La région irradiée du film 10 montre un monocristal, ou une série de monocristaux pouvant être décrits comme une surcroissance cristalline orientée. Le film 10 de matériau amorphe polycristallin comprenant, des régions 35 recristallisées est montré avec structure de grain agrandie de façon importante dans la figure 3 pour plus de clarté. En général chaque matériau a une direction de croissance préférée. Par exemple, sur un substrat lisse, une fine couche de silicium recristallisera dans le plan 111 défini selon les indices de Miller. Ainsi, dans des conditions 40 contrôlées correctement, sur un substrat lisse, des monocristaux produits par 69 23605 2020963 des impulsions de faisceau laser auront la même orientation cristalline générale. Le substrat et la partie polycristalline de la périphérie du film 10 jouent le rôle d'un support effectif isolant pour la région cristalline. Les figures 4, 5, 6 et 7, illustrent une autre réalisation du procédé de 5 l'invention. La figure 4 montre un revêtement 10 de matériau amorphe ou poly-cristalli déposé sur un substrat 12. On prépare le film 10 et le substrat 12 de la même façon que celle décrite précédemment en relation avec la figure 1. Cette réalisation du procédé de l'invention entraîne la formation de régions dopées monocristallines dans le film mince. Figure 5, une plaque de verre 20 10 sur laquelle on a déposé des régions très minces de dopant 22, recouvre le film 10, le dopant étant en contact direct avec lui. Le dopant 22 peut être de tout type convenable soit P ou N déposé par tout procédé classique. Si on le désire, la surface entière de la plaque 20 peut être revêtue de dopant au lieu de parties comme il est illustré dans la figure 5. 15 Figure 6, l'assemblage résultant décrit dans la figure 5 est alors irradié avec une impulsion du laser 14. On dirige le faisceau laser sur le film localisé 22 de dopant. Le produit résultant est montré dans la figure 7 sous forme de région monocristalline dopée 24 dans le film 10. Pour le procédé décrit dans les figures 4 à 7, la plaque de verre ou tout 20 autre support convenable est choisie dans un matériau qui n'absorbera pas de façon appréciable l'énergie du laser 14. De même, le revêtement de dopant 22 doit être relativement mince afin de ne pas absorber une quantité appréciable d'énergie du laser 14. On règle de préférence l'énergie de l'impulsion laser afin qu'il n'y ait aucune fusion ou vaporisation du film 10 durant l'opération 25 de recristallisation. On peut régler l'énergie de l'impulsion en modifiant la durée de l'impulsion, en le focalisant, le masquant, etc... En général, l'énergie sera inférieure à un joule. On peut utiliser l'invention de nombreuses façons. Par exemple, si le film monocristallin 10 est un matériau semiconducteur, on peut réaliser une diffusion 30 ultérieure plus petite dans la région initiale monocristalllne soit par diffusion conventionnelle ou par diffusion utilisant un faisceau laser décrit dans la demande de brevet français 69 033 60 déposé le 6 Février 1969. Autrement, comme il est indiqué dans la figure a, on peut déposer une couche 26 de matériau semiconducteur sur la surface de régions monocristallines. Les parties 35 27 du film 26 situées sur les régions monocristalllnes 24 auront une nature épitaxiale, ayant une structure de réseau généralement monocristalline similaire aux régions 24. Les parties restantes 28 du film 26 sont polycristallines ou amorphes. On peut réaliser des diffusions dans les régions résultantes 27 du film 26 pour former des dispositifs semiconducteurs. De tels dispositifs 40 sont isolés électriquement les uns des autres par le substrat sous-jacent 12 69 23605 2020963 - at les parties polycristallines ou amorphes des films 10 et 26. Les régions initialement formées dans le film 10 peuvent être dopées à des concentrations , : plus élevées que la couche épitaxiale et ces régions utilisées comme sous-collecteur enterré, si on le désire. 5 Après le dépôt de la couche épitaxiale et la diffusion des diverses ré gions pour former le dispositif, on peut déposer la structure métallique vou- - lue par les techniques bien connues dans l'art. . L'exemple suivant illustre les réalisations spécifiques préférées du procédé de l'invention. •jq Exemple I: ; On dépose sur une pastille de silicium revêtue de SiO„ un film d'aluminium O ^ ayant une épaisseur de 3.000 A dans un appareil à évaporation. Après évaporation on forme un dessin d'essai en forme d'haltère en gravant le film d'aluminium. Les dimensions de bande étaient de 12,7 mm x 0,635 mm. On dispose ensuite l'é- O • à rubis à impulsion Lier-Siegler LW-212 (6943 A). On irradie alors le film à la température ambiante avec le laser réglé au plus bas, c'est à dire, 5-100, ce qui entraîne une sortie d'énergie d'environ 0,01 joules. On règle l'impulsion à 2,2 millisecondes. Après irradiation, on inspecte visuellement l'échantillon. 20 On remarque que le film a fondu et s'est évaporé localement dans la zone irradiée. La zone irradiée comprend un cercle ayant un diamètre approximatif de 2 50 microns. La puissance par unité de surface était de 5,1 x 10 joules par 2 cm . On conclut que pour l'épaisseur du film, l'énergie de la zone irradiée était réglée à un niveau trop élevé pour produire effectivement la croissance 25 -desr grains. On conclut que le film relativement mince ne fournit pas une dissi-" ptftion de chaleur suffisante au niveau de l'irradiation. Exemple II O - .On évapore un film d'aluminium ayant une épaisseur de 5.000 A sur un substrat de silicium recouvert d'une couche de SIO^ comme décrit dans l'exemple 30 1« En grave un dessin en forme d'haltère dans le film et l'on dispose l'échantillon de telle sorte que le centre de la bande soit la cible de l'appareil laser de l'exemple précédent. L'objet de l'essai est de déterminer le domaine du ni- O veau d'énergie opérationnelle de l'appareil laser avec un film de 5.000 A. En conséquence, on irradie le film successivement dans des zones différentes du 35 film et le niveau d'énergie varie de 0,01 joule à 0,035 joule par augmentation : : de 0,005 joules. Cela correspond à une énergie par unité de surface de 5,1 x 2 3 2 10 èr 1,8 x 10 joules par cm . Après chaque irridiation, on observe visuelle- ment l'échantillon pour détecter des preuves de fusion ou d'évaporation. Avec un- niveau d'irradiation de 0,035 "joules, la fusion se produit la première. A - 40; toutes les irradiations précédentes, on observe aucune fusion. On détermine 69 23605 2020963 ainsi la niveau d'énergie utilisable pour le laser pour irradier un film d'alu- O minium d'une épaisseur de 5.000 A, à savoir de 0,01 à 0,25 joules. Cela corres- 2 3 pond à une énergie par unité de surface de 5,1 x 10 à 1,28 x 10 joules par 2 cm . 5 Exemple III O Un film d'aluminium ayant une épaisseur de 5.000 A est de nouveau déposé sur une pastille de silicium revêtue de Si02 et 1'on grave un dessin an forme d'haltère. On dispose l'échantillon de telle sorte que le centre de la bande soit la cible de l'appareil et on irradie avec l'énergie de sortie du faisceau 10 laser réglée à 0,25 joules. La zone irradiée est mesurée et on trouve qu'elle est circulaire d'un diamètre de 50 microns. L'étude de l'échantillon au microscope électronique révèle que la taille des grains moyens de la matrice dans la zone irradiée est d'environ 10 à 20 microns. Par constraste la taille des grains moyens dans la zone entourant la zone irradiée est de 1 micron. L'inté-15 rit principal est la modification rapide de la taille des grains. Ultérieurement, les contacts à pression d'aluminium sont utilisés pour obtenir une connexion électrique avec 1' échantillon. Une alimentation d'énergie continue à potentiel limité et constant sst utilisée pour obtenir une densité g de courant maximal de 0,6 x 10 ampères par cm dans la bande. On maintient la 20 bande à une température ambiante constante de 150°C. Les essais indiquent que la zone irradiée du film présente une résistance beaucoup plus Importante à 1'électromigration sous contrainte électrique que les zones non Irradiées. Exemple IV Un film amorphe de silicium d'épaisseur de 1 micron est déposé sur un lubsi; 25 trat de cristal de silicium par la technique de pulvérisation. Le film amorphe de silicium est alors revêtu d'un film mince de phosphore ayant une épaisseur O dfeiviron 2.000 A. L'échantillon résultant est alors localisé dans le faisceau d'un laser à rubis Lier-Siegler LW-212 pour irradiation. On irradie le film plusieurs foie en des endroits différents et avec des niveaux d'énergie diffé-30 rents de 2 à 30 millijoules. Après irradiation, on inspecte visuellement l'échan tillon dans les zones irradiées. Des diodes se sont formées dans les régions où l'énergie était de 2 à 5 joules. Cela montre que la cristallisation du film de silicium amorphe a effectivement eu lieu. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les figures 35 les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détails qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 69 23605 9 2020963 REVENDICATIONS I.- Procédé de production de régions monocristallines en film mince ayant pour support un substrat caractérisé en ce qu'il comprends 5 le dépôt d'un film de matériau cristallisable sur un substrat, et, l'irra diation de parties choisies du film par un faisceau de laser à impulsions d'intensité suffisante pour entraîner une reformation das microcristaux du matériau cristallisable entraînant la formation de monocristaux minces et importants. 10 II. - Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que le film déposé avant l'irradiation par faisceau laser est une couche de matériau semiconducteur polycristallin. III. - Procédé selon la revendication II, caractérisé en ce que ledit film 15 est déposé avec une épaisseur de 1 à 10 microns. IV. - Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que le film déposé avant l'irradiation par le faisceau laser est une couche de métal. 20 V.- Procédé selon la revendication II, caractérisé par le fait que l'on dispose un dopant semiconducteur en contact intime avec ledit film avant l'irradiation, ledit dopant étant choisi dans le groupe III, dans les composés des éléments du groupe III, dans le groupe IV, dans les composés des éléments du groupe V et de leurs mélanges, et que l'on irradie le film et le dopant pour 25 produire une recristallisation et une diffusion entraînant la formation d'une couche monocristalline dopée. VI. - Procédé selon la revendication II, caractérisé par le dépôt d'une couche épitaxiale de matériau semiconducteur sur les régions irradiées du film. 30 VII.- Procédé selon la revendication IV, caractérisé par le fait que ledit film déposé est de l'aluminium. VIII.- Procédé selon la revendication VII, caractérisé en ce que ledit O 35 film d'aluminium est déposé pour former une épaisseur de 5.000 A. IX.- Procédé selon la revendication VIII, caractérisé par le fait que l'é- 2 3 nergie d'irradiation du faisceau laser varie de 5,1 x 10 à 1,18 x 10 joules 2 par cm . X.- Procédé selon la revendication II, caractérisé par le fait que ledit 40 film semiconducteur déposé est du silicium ayan£ une épaisseur de 1 à 10 micron