Brevet FR2021568A1 — publié le 19700724

La présente invention concerne un procédé pour effectuer * la croissance d'un cristal semi-conducteur à partir d'une phase Tapeur et, plus particulièrement, elle a trait à un perfectionnement au procédé permettant de former une couche de cristal épitaxial 5 sur une pastille semi—conductrice* 11 est bien connu actuellement que, dans l'industrie, on utilise fréquemment le cristal épitaxial et que, dans la plupart des cas, on obtient ce cristal par le procédé de croissance à partir d'une phase vapeur. 10 Bien que 1'on puisse fabriquer le cristal épitaxial par croissance à partir d'une phase liquide et par croissance à partir d'une association phase vapeur-phase liquide, on peut effectuer avec le plus de précision le réglage des caractéristiques du cristal ainsi que de l'épaisseur de la couche de croissance au moyen 15 d'un dépôt à partir d'une phase vapeuro En raison de son rendement élevé, on utilise le procédé de croissance à partir d'une phase vapeur pour la production en grande série du silicium qui fait l'objet actuellement d'une grande demande sur le marché. Conformément à ce procédé de croissance à partir d'une 20 phase vapeur, on place habituellement une pastille de semi-conduc-teur sur un gabarit de support en graphite et on la chauffe k environ 1200°C. Ensuite, on décompose thermiquement un gaz de réaction voulu et/ou on en effectue la réduction en déposant ainsi une couche de cristal serai-conducteur sur la pastille de semi-conduc-25 teur* Toutefois, il est difficile de régler l'écoulement du gaz de réaction de manière qu'il puisse agir uniformément sur la pastille de semi-conducteur* 11 n'a pas été possible d'obtenir de façon satisfaisante une formation précise d'une couche de cristal 30 ayant une épaisseur uniforme sur la totalité de la pastille* Quand il s'agit de former une couche de cristal sur un grand nombre de pastilles de semi-conducteur en une seule opération afin d'augmenter le rendement du traitement de croissance du cristal, il est très difficile de former une couche de cristal 35 ayant une épaisseur uniforme sur chaque pastille prise individuellement et sur la totalité des pastilles. Avec l'augmentation de la demande et de la mise au point des dispositifs à circuit intégré de grandes dimensions, et des éléments de grande puissance, il est devenu de pratique courante 40 de faire en sorte que la surface de la pastille de semi-conducteur 69 3642Ô 2 20 21568 soit suffisamment grande pour que l'on obtienne un grand nombre d'éléments semi-conducteurs ou bien des éléments seai-conducteurs de grande surface à partir d'une seule pastille* La difficulté qui existe dans l'obtention d'une couche de cristal ayant une 5 épaisseur uniforme sur la totalité de la surface d'une pastille de semi-conducteur a augmenté de plus en plus l'importance du problème ci-dessus* On considère que les raisons de cette difficulté sont dues au fait (l°) que le gaz de réaction ne peut pas ttre amené en 10 contact uniforme arec la pastille et (2°) qu'avec l'écoulement latéral du gaz de réaction la composition du gaz varie* La première raison dépend de la forme du tube de réaction et du gabarit de support tandis que la seconde raison ne peut pas être évitée quand le gaz de réaction se déplace le long de la 15 surface de la pastille* Conformément au mode de réalisation habituellement le plus utilisé, on introduit dans un tube Four cette raison, il est difficile d'obtenir en une seule fois un grand nombre de pastilles comportant des couches épita-xiales uriformes. En d'autres termes, le nombre de pastilles que l'on peut traiter en une seule opération de croissance épitaxiale est limité à un faible nombre pouvant atteindre dix* Pour répondre à la demande très forte existant sur le marché, il faut alors un matériel et un personnel important* Far ailleurs, on a proposé un procédé utilisant un appa- OC reil du type à gabarit de support cylindrique. Conformément à ce procédé, on dispose en plusieurs rangées un grand nombre de pastilles sur la face latérale extérieure d'un gabarit de support cylindrique et on introduit le tout dans un tube à. réaction. On fait tourner le gabarit de support dans le tube pendant qu'on 40 laisse le gaz de réaction s'écouler d'une extrémité k l'autre du 69 36428 3 20 21568 gabarit de support. Etant donné que, dans ce procédé, les pastilles sont déplacées transversalement à la direction d'écoulement du gaz de réaction du fait de la rotation du gabarit, l'influence de la convexion du gaz de réaction est plus faible dans le procédé 5 précédent où la pastille est immobiles De ce fait, la to.talité de la surface de la pastille se trouve bien en contact avec le gaz de réaction, de sorte que la couche de croissance se forme sur la surface de façon sensiblement uniforme® Toutefois, dans ce procédé aussi, il est impossible de corriger tout manque d'uniformité 10 apparaissant le long de l'écoulement du gaz de réaction,, La présente invention a pour but de remédier aux défauts mentionnés ci-dessus que présente le procédé de la technique antérieure et d'offrir un procédé efficace. C'est pourquoi la présente invention a pour objet de former 15 une couche de cristal semi-conducteur ayant une épaisseur uniforme et dont la croissance s'effectue de façon épitaxiale sur la sous-couche de support semi-conductrice dans la direction d'écoulement du gaz de réaction. Selon une caractéristique de la présente invention, une 20 couche de cristal semi-conducteur ayant une épaisseur uniforme est formée sur la sous-couche de support semi-conductrice dans la direction coupant la direction d'écoulement du gaz de réaction. Suivant une autre caractéristique de la présente invention, la demanderesse a créé un procédé permettant de former en 25 grande série des couches de cristal semi-conducteur ayant une épaisseur uniforme sur des sous-couches de support semi-conductrices* Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, il est proposé de permettre à un gaz de réaction, contenant par exemple des halogénures de silicium, de s'écouler parallèle-30 ment à, la surface principale d'une sous-couche de support semi-conductrice et le long de cette surface, cela à une pression inférieure à la pression atmosphérique, afin de faire croître de façon uniforme un cristal semi-conducteur sur la surface principale. D'autres caractéristiques et avantages de la présente in-35 vention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après d'un mode de réalisation préféré, faite en référence au dessin annexé sur lequel î la fig. 1 est une vue schématique simplifiée d'un appareil de fabrication de cristal; 40 les fig. 2a et 2b sont, respectivement, -une vue latérale 69 5 10 15 20 25 30 35 40 36428 4 20 21568 et une vue en coupe d'un gabarit destiné au chauffage des sous-couches de support semi-conductrices; les fig» 3a et 3b sont, respectivement, une vue latérale et une vue en coupe d'un autre gabarit de support destiné au chauffage de sous-couches de support semi-conductricesj les fig. 4, 5, 6a, 7, 8 et 9 sont des diagrammes de caractéristique représentant les résultats expérimentaux obtenus avec les modes de réalisation de la.présente invention; la fig. 6b montre la disposition des points de mesure sur une pastille épitaxiale pour obtenir les données représentées sur la figo 6a0 Sur la fig. 1, qui est un schéma explicatif succinéfcd'un appareil de fabrication de cristaux conforme à un mode de réalisation de la présente invention, la référence 1 désigne un tube de réaction, en quartz, ayant un diamètre intérieur de 70 mm, la référence 2 désigne une bobine de chauffage par induction à haute-fréquence, la référence 3 désigne un gabarit de support en carbone ayant une épaisseur de 15 mm, une largeur de 60 mm et une longueur de 440 mm, la référence 4 désigne une pastille de semi-conducteur, la référence 5 désigne un régulateur de pression, la référence 6 désigne un régulateur d'échappement, la référence 7 désigne un régulateur de débit, la référence 8 désigne tin robinet pour actionner le manomètre à mercure 13, les références 9, 10 et 11 désignent des distributeurs, la référence 2 désigne du tétrachlorure de silicium, la référence 13 désigne de la glace, la référence 14 désigne de l'azote liquide, la référence 15 désigne une pompe à vide et la référence 17 désigne un débitmètre mesurant le débit d'hydrogène. On dispose, sous forme d'une rangée, un grand nombre de pastilles semi-conductrices 4 alignées dans la direction d'écoulement du gaz de réaction, comme représenté à plus grande échelle sur les fig. 2a et 2b. La fig. 2a est une vue latérale tandis que la figé 2b est une vue en coupe faite par Ilb-IIb. Un autre gabarit de support tel que celui représenté sur les fig. 3a et 3b peut être avantageusement utilisé pour une production en grande série de pastilles. Ce gabarit & une hauteur.de 62 mm et une largeur de 30 mm. On introduit des pastilles 4, de semi-conducteur, dans le tube de réaction 1, en quartz, en m$me temps que le gabarit 3 et on les chauffe au moyen de la bobine de chauffage haute-fréquence 2 indirectement par l'intermédiaire du gabarit 3» 69 36428 5 20 21568 En premier lieu, on laisse l'hydrogène s'écouler dans le • * tube de réaction» La pompe à vide 15 fonctionne de manière à diminuer la pression dans le tube de réaction lo Ensuite, on introduit un mélange gazeux d'hydrogène et de tétrachlorure de silicium 5 (si nécessaire on peut ajouter un agent de dopage approprié)» Pour plus de détails, on règle la pression de l'hydrogène, par exemple entre 1,5 atmosphère et environ 1 atmosphère, au moyen du régulateur de pression 5, en réglant de façon précise le débit au moyen du régulateur de débit 7» La variation de pression de 10 l'hydrogène fait varier le débit. Par conséquent, il est désirable de maintenir la pression de l'hydrogène à une valeur constante. Le mélange de gaz porteur (hydrogène) et de tétrachlorure de silicium gazeux, dont le débit est déterminé par le régulateur de débit 7 est introduit dans le tube de réaction 1 et, par l'intermé-15 diaire du collecteur d'azote liquide 14, il est évacué au moyen de la pompe à vide 15. Le débit auquel il est évacué est réglé par le régulateur de débit d'échappement 6 grâce à quoi on commande la pression régnant dans le tube à réaction 11. Si l'on désigne par P la pression incidente déterminée par le régulateur 5, par 20 D le débit d'hydrogène réglé par le régulateur 7 et indiqué par S le débitmètre 17, et enfin par D le débit d'évacuation du gaz se trouvant dans le tube, contrôlé par le régulateur d'échappement 6, la pression P régnant dans le tube de réaction et indiquée par le manomètre 8 est donnée par la formule suivante : 25 P = (De/Ds)Pe Par exemple pour Pg =760 mm de Hg, et = 20 l/mn et D = 70 l/mn, P ¥ 220 mm de Hg. On chauffe la pastille de semi-conducteur 4 jusqu'à environ l2Û0°Co La composition du gaz introduit dans le tube à réac-30 tion est établi comme suit : tétrachlorure de siliciumîhydrogène = lllDO (rapport molaire). On mesure les caractéristiques de la croissance du cristal sur la pastille 4 par rapport à la variation de pression dans le tube à réaction,. Sur la fig. 4 qui montre la relation existant entre la 35 vitesse de croissance (portée en ordonnée et exprimée en microns/ minute) et la variation de pression (portée en abscisse et exprimée en mm de Hg) dans le tube, on peut voir que la vitesse de croissance décroît à mesure que la pression diminue, c'est-à-dire que la vitesse de croissance est presque proportionnelle à la racine 40 cubique de la pression. 69 5 10 15 20 25 30 35 40 36428 6 20 21568 La fig* 5 montre la courbe du pourcentage de variation de l'épaisseur de la couche de croissance de cristal (portée en ordonnée et exprimé en fo) sur quelques pastilles disposées suivant la direction d'écoulement du gaz de réaction quand un grand nombre de pastilles de semi-conducteur 4 sont disposées en une rangée à. des intervalles de 4 cm sur le gabarit 3 et quand le gaz de réaction est introduit suivant la direction de l'agencement (la distance dans le sens longitudinal du gabarit de montage est portée en abscisse et est exprimée en cm)» Sur cette figure, les courbes 51| 52, 53 et 54 correspondent aux pressions de 760 mm de Hg, 680 mm de Hg, 330 mm de Hg et 130 mm de Hg respectivement* A environ 10 cm de l'extrémité du gabarit, au voisinage de l'orifice d'admission du gaz, l'épaisseur de la couche de croissance sur chaque pastille est sensiblement uniforme, cela indépendamment de la pression* La variation d'épaisseur est exprimée en pourcentage, une valeur de 10 cm étant prise comme norme de base* On voit que lorsque la pression diminue, la variation de l'épaisseur de la couche de croissance diminue également et, particulièrement aux pressions inférieures à 330 mm de Hg, la variation se situe dans des limites de 0 à -20$>. La fig* 6a montre la répartition des épaisseurs de la couche de croissance sur plusieurs pastilles disposées suivant la direction d'écoulement du gaz de réaction et la variation des épaisseurs mesurées en plusieurs points sur la surface principale des pastilleso On dispose les pastilles 4 en une rangée, à des intervalles de 5 cm, sur le gabarit 3, et on laisse le gaz de réaction s'écouler dans la direction de l'agencement* Les conditions de réaction (température de chauffage et composition du gaz) sont les mêmes que celles du cas mentionné ci-avant. Le temps de réaction est de 15 minuteso Sur la fig* 6a où l'épaisseur des couches de croissance (exprimée en microns), est portée en ordonnée et la distance (exprimée en centimètres) dans le sens longitudinal du gabarit est portée en abscisse, les courbes 61 et 62 correspondent aux pressions de 760 mm de Hg et 133 mm de Hg, respectivement* La variation d'épaisseur de la couche de croissance est mesurée en neuf points 63 sur la surface principale de la pastille de semi-conduc-teur 64* D'après la fig. 6b, on voit que l'on peut diminuer la variation d'épaisseur de la couche de croissance en diminuant la pression dans le tube de réaction, non seulement dans la direction d'écoulement du gaz mais également dans la direction transversale 69 36428 7 20 21568 à cette direction d'écoulemente La figo 7 montre les courbes caractéristiques obtenues quand on utilise des gabarits représentés sur las fig» 3a et 3b„ Sur cette figure où l'épaisseur des "couches de croissance 5 (exprimée en microns) est portée en ordonnée et la distance (exprimée en centimètres) dans la direction longitudinale du gabarit est portée en abscisse, les courbes 71 et 72 correspondent aux pressions de 760 mm de Hg et 121 mm de Hg, respectivement. Les conditions de réaction (température de chauffage et composition dji gaz) 10 sont les mêmes que celles du cas précédent. Le temps de réaction est de 10 minutes. On peut voir sur la fig. 7 que si l'on ne diminue pas la pression régnant dans le tube de réaction l'épaisseur de la couche de croissance sur les pastilles disposées dans la direction d'é-15 coulement du gaz de réaction présentent une grande variation, mais que cette variation peut être considérablement améliorée par tin traitement à faible pression. On considère que la raison pour laquelle la variation est importante à une pression plus élevée comme l'indique la courbe 20 72 est' due au fait que l'espace dans le tube de réaction, et par conséquent, le gaz dé réaction, est divisé en deux parties par le gabarit de support 51, de sorte que les pastilles de semi-conducteur sont en contact avec le gaz divisé, ce qui a pour effet d'augmenter considérablement la consommation du gaz de réaction, ainsi 25 qu'au fait que le tube de quartz adjacent au gabarit 31 est chauffé également à une température élevée, de sorte que le semi-conducteur se dépose sur la paroi intérieure du tube de réaction en consommant le gaz de réaction. La fig. 8 montre la répartition des tensions PCB (tension 30 de claquage à des points de contact) des couches de cristal de croissance sur plusieurs pastilles disposées dans la direction d'écoulement du gaz de réaction et- sa variation en plusieurs points sur la surface principale de la pastille. Sur cette figure, les tensions PCB (exprimées en volts) sont portées en ordonnée et la 35 distance (exprimée en centimètres) dans la direction longitudinale du gabarit est portée en abscisseo On obtient la couche de croissance à 130 mm de Hg et on effectue des mesures au moyen du procédé de claquage à des points de contact, procédé qui est bien connu dans la technique. Etant donné que la valeur logarithmique 40 de la tension PCB et que le logarithme de la résistivité de la 69 36428 8 20 21568 couche de'croissance sont proportionnels, on pemt conclure, d'après les résultats ci-dessus, que la résistivité de la couche de croissance ne présente qu'une faible variation. La fig. 9 montre la relation existant entre la pression 5 régnant dans le tube de réaction et la concentration de l'impureté pour déterminer le type de conductivité, c'est-à-dire la concentration (vapeur de PCl^/vapeur de SiCl^). Comme on peut le voir sur la fig. 9, même avec la variation de pression, si la concentration des impuretés fournies est constante, la couche de cristal 10 de croissance a la même résistivité. Comme on peut le voir d'après la-description qui précède, il est possible, conformément à la présente invention, de former une couche épitaxiale ayant une épaisseur uniforme à la fois dans la direction d'écoulement du gaz de réaction et transversalement 15 à cette direction en effectuant la croissance du cristal à une pression réduite. Etant donné que le gaz de réaction, qui est introduit dans le tube de réaction sous une pression réduite, se détend, on peut faire en sorte que la quantité de gaz qui doit être fournie soit 20 faible. Le gaz est évacué au moyen de la pompe à vide et il passe rapidement à travers le tube de réaction, de sorte qu'il ne peut faire l'objet d'une consommation intense que dans les pastilles se trouvant près de l'orifice d'admission de gaz. Il en résulte que l'on peut obtenir une bonne répartition de l'épaisseur et de la 25 résistivité. On obtient ces résultats favorables quand la pression régnant dans le tube de réaction est amenée à une valeur inférieure est a la pression atmosphérique. L'effet/le plus grand à une pression inférieure à 350 mm de Hg et particulièrement lorsque la pression 30 est inférieure à 200 mm de Hg, comme on peut le voir sur la fig. 5. En ce qui concerne la vitesse de croissance représentée sur la fig. 4, il est désirable de maintenir la pression au-dessus de 100 mm de Hg. Sous 100 mm de Hg, en raison du champ électrique alternatif haute-fréquence de la bobine haute-fréquence, un phé-35 nomène de décharge apparaît provoquant un risque de destruction du tube à réaction. Avec des formes différentes de gabarits et de tubes de réaction, la présente invention permet d'obtenir un effet exceptionnel. Bien que la description ci-dessus ne décrive que le type horizontal, il va de soi qu'elle peut également être appli-40 quée au type cylindrique. 69 36428 9 20 21568 On remarquera qu'avec les gabarits représentés sur les fig. 3a et 3b, l'application de la présente invention est particulièrement efficace comme on peut le voir sur la fig. 7. Bien que l'exposé qui pinède ne décrive qu'un cas où un 5 seul cristal est formé par croissance épitaxiale sur une sous- couche de support en silicium, la présente invention peut être appliquée à d'autres cas où un polycristal est formé par croissance et où d'autres matériaux semi-conducteurs, par exemple du germanium, sont également formés par croissanceo De plus le procédé proposé 10 peut être appliqué à ce que l'on appelle 'l'hétéroépitaxie". Le gaz de réaction peut être du monosilane ou du trichlorosilane, etC e.o 69 36428 10 20 21568 REVENDICATIONS 1°) Procédé pour effectuer la croissance d'un cristal semi-conducteur sur une surface principale d'une sous-couche de support semi-conductrice en chauffant ladite sous-couche et en lais-5 sant un gaz de réaction contenant une matière semi-conductrice s'écouler le long de ladite surface principale de la sous-couche de support semi-conductrice, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il consiste à faire croître ledit cristal à une pression inférieure à la pression atmosphérique. 10 2°) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on fait croître le cristal à une pression inférieure à environ 350 mm de Hg. 3°) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on fait croître le cristal à une pression comprise 15 entre environ 100 et 350 mm de Hg. 4°) Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que le gaz de réaction contient des halogénures et que la sous-couche de support est un monocristal de silicium. 5°) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le 20 fait que l'on fait croître le cristal à une pression comprise entre environ 100 et 200 mm de Hg. 6°) Appareil pour produire un cristal semi-conducteur par croissance à partir d'une phase vapeur, cet appareil comprenant j un tube à réaction, un élément de support de pastilles semi-conduc-25 trices disposé dans ledit tube de réaction, plusieurs pastilles semi-conductrices disposées sur la surface dudit élément de support, un dispositif pour envoyer un gaz de réaction contenant une matière semi-conductrice dans ledit tube de réaction dans le sens longitudinal de l'agencement desdites pastilles, un dispositif 30 pour chauffer les pastilles précitées à la température de réaction dudit gaz de réaction, et un dispositif pour évacuer le gaz de réaction à partir du tube de réaction, le débit d'écoulement du gaz de réaction pendant qu'il s'échappe étant réglé de manière à être supérieur au débit du gaz de réaction entrant. 35 7°) Appareil suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit élément de support comporte deux faces inclinées sur chacune desquelles sont disposées en rangées plusieurs pastilles et par le fait que l'élément de support susvisé est disposé dans le tube de réaction de manière que l'écoulement du gaz envoyé 40 au tube puisse être divisé le long des deux faces inclinées précitées.