Brevet FR2032448A1 — publié le 19701127

Cette invention concerne des semi-conducteurs et plus particulièrement le dépôt de couches semi-conductrices, sur ceux-ci la structure du semi-conduc-teur étant normalement monocristalline et le produit dopant étant contrôlé en quantité. Dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, y compris ceux 5 des structures monolithiques ou intégrées, la technique de formation de films épitaxiques est largement utilisée pour l'extension d'un substrat semi-conducteur, ces films étant obtenus par addition d'un corps accepteur ou donneur d'impuretés, ce qui permet de réaliser des jonctions PN où une couche d'un matériau semi-conducteur d'un type de conductivité est formée sur un substrat 10 semi-conducteur d'un deuxième type de conductivité. Dans les procédés de dépôt épitaxique, tels que ceux employés dans le traitement de semi-conducteur, le matériau est déposé sur un substrat mono-cristallin composé d'un cristal de base identique, ou d'un type voisin, à celui du matériau déposé pour former une couche monocristalline dont l'orien-15 tation est déterminée par celle du substrat. Une application typique des procédés de dépôt épitaxique comporte la formation ou la croissance d'une couche ou d'un film de silicium sur un substrat de silicium, appelé communément pastille, en utilisant une réduction chimique, telle que tétrachlorure de silicium par l'hydrogène dans une atmosphère qui peut contenir indifférem-20 ment un type d'impureté ayant une conductivité déterminée, cette impureté pouvant être du phosphore, du bore, de l'arsenic ou des corps semblables, selon le type de dopage désiré dans le film épitaxique formé. Par exemple si on désire un film épitaxique de silicium du type P, un cpmposé de bore tel que B_H„(Diborane) ou BBr„ (tri-bromure de bore) peut être injecté, comme £. O «J 25 accepteur d'impuretés, dans l'atmosphère de croissance épitaxique (préalablement mélangée avec le gaz réducteur, par exemple de l'hydrogène]. Au contraire, si on désire un film épitaxial du type N, des composés d'arsenic, de phosphore et des composés similaires tels que par exemple, AsH^ (Arsineî ou PH3 (Phosphine] peuvent être injectés dans l'atmosphère de croissance épi-30 taxiale. En général, cependant, le procédé de croissance épitaxique d'un cristal est normalement applicable aux autres conducteurs y compris le germanium et les composés du groupe III-V tels que le phosphure de gallium et l'arséniure de gallium. Dans un procédé typique de-dépôt épitaxique, un substrat formé d'une 35 pastille de silicium, repose sur un corps suscepteur à l'intérieur d'un tube de réaction de quartz, la pastille étant chauffée au moyen de chaleur de conduction provenant du corps suscepteur ce dernier étant chauffé par une énergie HF. Aux températures de fonctionnement par exemple à environ 1150°C, 40 le tétrachlorure de silicium à l'état de vapeur est transporté à travers le 03621 2 2032448 tube de réaction par l'hydrogène qui peut contenir indifféremment une impureté d'un type de conductivité telle que PH„, B_H„, AsH_ etc... Le tétrachlorure 3 2 B 3 de silicium est alors réduit par l'hydrogène, près de la surface du substrat, à l'état de silicium qui se dépose épitaxialement sur le substrat soit seul, 5 soit avec le dopant, si cela est nécessaire. Cependant, de tels procédés de croissance épitaxiale, de par l'utilisation de températures élevées, par exemple environ 1150°C sont caractérisés par des inconvénients inhérents, à ces procédés tels qye ceux décrits dans le brevet américain n° 3 189 494. Un tel problème, habituellement appelé "auto-dopage", 10 est d'un intérêt primordial dans les procédés épitaxiques utilisant des atmosphères épitaxiales, notamment pour le dépôt de couches épitaxiques sur des substrats semi-conducteurs hautement dopés, et particulièrement quand le dépôt épitaxial contient une quantité relativement faible de dopant. Aux températures élevées employées dans les procédés épitaxiques par exemple environ 15 1150°C, les impuretés rétrodiffusent , à partir des substrats plus lourdement dopés, dans l'atmosphère épitaxiale{ modifiant ainsi la composition de celle-ci, ce qui provoque des variations non recherchées dans les résistivités (et même dans le type de conductivité dans les cas extrêmes) du substrat et du dépôt épitaxique. Lorsqu'une atmosphère épitaxiale d'écoulement est employée, 20 le courant gazeux est progressivement enrichi, tandis que les atomes d'impuretés rétrodiffusent du substrat, donnant ainsi des dépôts épitaxiques plus lourdement dopés en aval de l'écoulement gazeux avec une variation correspondante des résistivités du produit final. Dans les applications comportant des dépôts épitaxiques sur des substrats de type de conductivité opposé, cette 25 rétrodiffusion se traduit par une compensation aussi bien que par des variations de résistivité. Le problème précédent est particulièrement accentué dans le cas d'un substrat ayant des régions P et/ou N enterrées sur lesquelles la couche épitaxiale développée est très dépendante. Dans ces cas le phénomène de compen-30 sation, ou l'auto-dopage, survient d'une manière plus critique aux étapes initiales de la croissance épitaxiale et petit être la cause de la croissance d'une fine couche non contrôlée et non voulue faisant varier les géométries associées des différentes régions, les concentrations d'impuretés, les taux de croissance épitaxiale, et l'épaisseur réelle de celle-ci. 35 II a été trouvé conformément à cette invention, que le phénomène "auto-dopage" ou de compensation de rétrodiffusion des matériaux semi-conducteurs déposés sur des substrats semi-conducteurs dopés peut être substantiellement réduit sinon liminé, par l'adaptation des techniques de traitement bien connues. Dans son concept général, l'invention concerne le dépôt 40 sur un substrat semi-conducteur d'un film mince initial de silicium soit à 03621 3 2032448 faible température, par exemple de l'ordre de 500°C, soit par des techniques de pulvérisation, qui dans la réalisation préférée forment une continuation de l'orientation du cristal du substrat. Le film pulvérisé, maintenu à une épaisseur d'environ 1000 à 5000 angstroms, est recouvert, sur les surfaces 5 critiques du substrat, pour empêcher la rétrodiffusion des impuretés lors d'un dépôt épitaxial ultérieur à des températures élevées pour lesquelles les taux de croissance peuvent être facilement réglés de telle sorte que le taux de dépôt soit plus grand que la rétrodiffusion des impuretés à partir du substrat. 10 En conséquence, un objet de cette invention est de fournir un nouveau procédé pour le dépôt de couches semi-conductrices sur des substrats semiconducteurs. Un autre objet de cette invention est de fournir un nouveau procédé pour le dépôt d'un matériau semi-conducteur sur un cristal de base identique ou 15 similaire. Un autre objet de cette invention est en outre de fournir un nouveau procédé pour le dépôt d'un matériau «emi-conducteur monocristallin sur un substrat semi-conducteur monocristallin, ayant une structure cristalline identique ou similaire. 20 Un autre objet de cette invention est de fournir un nouveau procédé pour déposer un matériau monocristallin d'un type de conductivité déterminé sur toute la surface d'un substrat semi-conducteur monocristallin contenant une région appartenant à un second type de conductivité et ayant des structures cristallines identiques ou similaires. 25 D'autres objets et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexés à ce texte. Les figures 1 à 4 sont des vues en coupe partielle représentant les différentes étapes de fabrication d'une structure de semi-conducteur utilisant une réalisation de cette invention. 30 Plus spécifiquement, comme représenté sur les dessins, dans le but d'il lustrer le cadre de la présente invention, la description est faite en se référant à un substrat 1 dopé d'impuretés du type N et contenant 2 régions dopées enterrées 2 et 3 qui sont respectivement de type N+ et P+. Comme il est montré dans la figure 1, pour cette réalisation spécifique le substrat 35 1 comporte une structure de silicium monocristallin d'environ 0,20 mm d'épaisseur dopée conventionnellement du type N. Une région 2 de type N+ et une région 3 de type P+ sont enterrées dans le substrat grâce à des techniques de diffusion classiques. La diffusion formant la région de type N+ peut être réalisée, en conjonction avec des techniques de masque bien 40 connues, en employant des impuretés de type N telles que l'arsenic ou le 70 03621 4 2032448 phosphore comme dopant pour produire un niveau de dopage élevé, qui peut être 20 21 3 normalement compris entre environ 1 x 10 à 1 x 10 atomes par cm pour -4 fournir une resistivite relativement faible comprise entre environ 8 x 10 à -4 3 x 10 ohm-cm. Comme representé, la région 2 est du même type de conductivité que le substrat 1 formant par la variation du niveau de dopage, une 5 jonction N/N+ 4, qui peut, sous une certaine forme, être employé comme canal direct dans les circuits intégrés complexes. Inversement la région 3 P+ définissant la jonction P/N 5 peut être formée, également en conjonction avec des techniques de masques, grâce à une diffusion employant des impuretés du type P, "telles que le bore comme dopant 10 pour fournir un niveau de dopage relativement élevé et égal à environ 20 3 2 x 10 atomes par cm pour réaliser pne zone correspondante faible d'envi--4 ron 7 x 10 ohm-cm, Comme représenté, la région 3 dopée P+ est de type de conductivité opposée à la conductivité du substrat 1, et peut, par exemple, former une fonction capacitive dans des dispositifs intégrés complexes. 15 Comme il est compréhensible, ce qui précède représente le domaine d'application général de cette invention quel que soit le type ou la configuration du substrat employé. Par exemple, le substrat peut être dépourvu des régions dopées 2 et 3 et ainsi, comprendre simplement une région dopée d'un certain type de conductivité sur laquelle on déposera le matériau semi-conducteur 20 d'un deuxième type de conductivité pour définir une jonction P/N. Egalement, un type quelconque des régions dopées 2 et 3 peut être employé seul à l'exclusion de l'autre type. Dans son contexte le plus large l'invention est également orientée vers le dépôt de matériaux semi-conducteurs dopés sur un substrat semi-conducteur du même type de conductivité. 25 Dans l'étape suivante du procédé montré à la figure 3, un film mince 6 de silicium (de préférence non dopé dans cette réalisation] est déposé selon une technique de pulvérisation bien connue (telle que celles exposées dans le brevet américain n° 3 021 271), ce film mince pouvant être une couche 6 de haute résistivité ayant une orientation monocristalline formant une conti-30 nuation de l'orientation monocristalline du substrat 1. La méthode particulière n'est pas déterminante et le dépôt peut être accompli suivant le procédé décrit dans ce brevet américain n° 3 021 271 (auquel on peut faire référence pour des détails supplémentaires sur le procédé). En général, comme il est décrit dans ce brevet le substrat de silicium 1 de la figure 2 et un 35 dépôt de silicium sont tous deux sujets à un bombardement ionique préliminaire afin d'en éliminer les matériaux contaminants puis à une pulvérisation ultérieure., à des températures de l'ordre de 300 à 500°C, pour déposer un matériau cristallin d'aspect cristallographiquement compatible sur le substrat 40 cristallin. 70 03621 5 2032448 Classiquement, le film de haute résistivité 6 peut être formé avec un dopant tel que le bore, et avec une concentration d'impureté de l'ordre de 14 16 3 2 x 10 à 10 atomes par cm pour fournir des résistivités de l'ordrB de 100 à 1 comme montré dans la figure 3, qui sont substantiellement plus 5 élevées que la résistivité de la région P+ 3. De manière analogue, ces dopants du type IM peuvent être utilisés si une sur-compensation venant de la région P+est désirée. L'épaisseur du film P- pulvérisé est de préférence relativement petite, et normalement de l'ordre de 1000 à environ 5000 angstroms. Cependant, étant donné 10 la vitesse relativement faible de déposition par la technique de pulvérisation, (par exemple environ 0,5 microns par heure), l'épaisseur du dépôt obtenu par pulvérisation sera normalement juste suffisante pour empêcher la rétrodiffusion des dopants à partir du substrat pendant le dépôt ultérieur à température plus élevée par des techniques de croissance épitaxiale. L'épais-15 seur du film déposé sera également fonction des surfaces relatives des régions enfoncées N + 2 et P + 3, de leur distance de séparation, et des concentrations d'impuretés relatives des réglons 2,3,et 1. Généralement, des effets d'auto-dopage accentués sont produits par des surfaces dopées plus grandes, des régions moins espacées et des concentrations de dopage d'impuretés 20 plus élevées. Comme on pourra s'en rendre compte, alors que les diffusions varient expo-nentiellement avec la température associée, le dépôt du film P- 6 par la pulvérisation à basse température diminue effectivement la rétro-diffusion des impuretés à partir du substrat. Aussi, si l'opération est réalisée en 25 l'absence d'atmosphères épitaxiques, le problème de la contamination et de l'auto-dopage disparait. Dans l'étape suivante, comme montré à la figure 4, le film pulvérisé P-6 est recouvert par une couche P-7 déposée épitaxialement, qui est normalement du même type de conductivité que le film P6 et ayant substantiellement le 30 même niveau de concentrations d'impuretés et de résistivités. La méthode de croissance épitaxiale particulière à utiliser dans l'invention n'est pas déterminante et n'importe quelle des méthodes connues peuvent être employées. De manière classique, pour cette réalisation, les substrats peuvent être supportés par des corps suscepteurs en graphite, à l'intérieur 35 d'un tube de réaction en quartz d'environ 102 mm de diamètre intérieur. Le corps suscepteur (et les substrats sur celui-ci) sont chauffés par induction, par couplage avec une bobine haute fréquence à des températures de 1150°C (et normalement entre environ 1000 et 1200°C), tandis que l'hydrogène passe à travers le tube de réaction pour assurer l'enlèvement complet et l'absence 40 d'oxyde et de produits contaminant la surface. Ensuite, un gaz d'alimenta 70 03621. 6 2032448 tion formé, en volume, de 99,5% d'hydrogène, de 0,5% de tétrachlorure de silicium et d'une trace contrôlée(moins d'un pour mille) d'un produit dopant tel que le diborane, circule à travers le tube de réaction et sur le substrat à la température ambiante et avec un débit d'environ 30 litres par minute 5 jusqu'à ce que l'épaisseur désirée pour la couche du cristal épitaxique soit déposée, laquelle pour des réalisations pratiques peut normalement atteindre environ 1 à 5 microns» Pour obtenir une couche 7 P- épitaxiale de deux microns d'épaisseur, comme celle montrée dans la figure 4, le courant gazeux d'alimentation à travers le tube de réaction est maintenu pendant 10 environ 10 minutes. La pression dans le tube de réaction est la pression atmosphérique à température constante laquelle pour le dépôt épitaxial de silicium, est normalement maintenue entre 1100°C et 1200°C. Inversement pour le dépôt épitaxial du germanium sur un substrat 15 monocristallin de celui-ci, les températures de déposition seront normalement maintenues entre 700 et 900°C environ. Comme on pourra le comprendre, lorsque l'on désire des couches épitaxia-les non dopées, le dopant sera omis du gaz d'alimentation s et inversement si une couche épitaxiale du type N est désirée une impureté d'un type de 20 conductivité correspondant, tel que la phosphine ou l'arsine peut être additionné au gaz d'alimentation. En général, des concentrations de dopant variées peuvent être employées selon les caractéristiques désirées de la couche épitaxiale déposée. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins 25 les caractéristiques essentielles de l'invention, appliquées à un mode de réalisation préférée, de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 70 03621 » REVENDICATIONS 2032448 1. Procédé de fabrication de dispositifs semi-conducteurs caractérisé en ce que : - on pulvérise une première couche faite d'un matériau semi-conducteur sur une surface d'un substrat semi-conducteur et, 5 - on fait croître épitaxialement une seconde couche faite d'un matériau semi-conducteur, sur et contigiïe à la première couche. 2. Procédé de fabrication de dispositifs semi-conducteurs caractérisé en ce que : - on forme, dans un substrat semi-conducteur d'un premier type de 1D conductivité, une première région diffusée d'un second type de conductivité, cette région étant adjacente à une des surfaces du substrat et espacée de ses bords latéraux, - on pulvérise une première couche faite d'un matériau semi-conducteur, sur ladite surface du substrat, cette première couche recouvrant la première 15 région diffusée et les parties de ladite surface adjacente à cette région, et - on fait croître épitaxialement une seconde couche, faite d'un matériau semi-conducteur, sur et contiguë à la première couche. 20 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que : - on diffuse, avant la pulvérisation de la première couche, une seconde région dudit premier type de conductivité, cette seconde région étant espacée de ladite première région et comportant une résistance moindre que celle du substrat. 25 4. Procédé selon les revendications 1 ou 3 caractérisé en ce que la première couche est constituée par un cristal possédant une orientation qui est une extension continue de l'orientation du cristal composant le substrat. 5. Procédé selon les revendications 1,2 ou 3 caractérisé en ce que les premières et secondes couches sont toutes deux constituées d'un matériau semi- 30 conducteur du même type de conductivité. 6. Procédé selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que la résistivité des matériaux semi-conducteurs constituant les première et seconde couches est plus grande que celle de la première région. 35 7. Dispositif semi-conducteur tels que ceux obtenus par application du pro 70 03621 8 2032448 cédé de l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que les matériaux semi-conducteurs utilisés sont monocristallins.