Brevet FR2090329A1 — publié le 19720114

La présente invention concerne un procédé pour la formation d'une couche de silicium par épitaxie sur un corps semiconducteur mono cristallin en silicium sans perturber considérablement les emplacements des limites de régions de conductivité modifiée antérieurement établies dans ledit corps. Il est souvent désirable, au cours de la fabrication de dispositifs semiconducteurs, de former par épitaxie une couche de silicium sur la surface supérieure d'un corps semiconducteur de silicium monocristaliin dans lequel ont eté préalablement formées des régions dont la conductivité,en cequiconcerne soit le niveau de resistivité, soit le type de conductivite, a été modifiée par rapport aux propriétés correspondantes du cristal parent. Ces régions comportent des limites préalablement agencées, et leur conductivité modifiée est déterminée par le type et la proportion d'impuretés dopantes utilisées pour former ces régions.Jusqu'à présent, les hautes températures (c'est-à-dire supérieures à 1200 C) nécessaires à la mise prealable en état du corps semiconducteur (c'est-à-dire élimination des impuretés contaminantes indésirables et des oxydes à partir de la surface du corps de silicium par chauffage dans une atmosphère d'hydrogène) et à la formation de couches de silicium par épitaxie avaient soulevé de sérieux problèmes tels que ceux résultant de la distorsion des limites de regions préalablement formées. On pensait toutefois que, à moins de recourir à un traitement de mise en état préalable effectue à une température d'au moins 12000C, une couche de silicium ultérieurement formée par épitaxie contiendrait un nombre indésirable d'imperfections cristallines telles que des bosses, piqûres et defauts d'empilement. Chaque fois que l'on utilise une source de silicium constituée soit par du tétrachlorure de silicium, soit par un silane, on met généralement en oeuvre une cuisson dans l'hydrogène à une haute température, supérieure ou au moins égale à 1200 C, pour réaliser la mise en état préalable de la surface supérieure du corps semiconducteur immédiatement avant dy déposer par épitaxie une couche de silicium. Ce traitement de mise en état préalable a pour effet de faire diffuser les impuretés dopantes, déjà présentes et situees à l'intérieur des limites prédéterminées des regions de conductivité modifiée, en travers de la surface supérieure du corps de silicium.Cette diffusion latérale peut être ulterieurement cause du fait que de telles impuretes dopantes se trouvent captees dans la couche de silicium formée par épitaxie, ce qui affecte les propriétés désirees de la part de cette couche formée par épitaxie. Ce phenomène de captage intervient par suite de la croissance d'atomes de silicium par épitaxie par dessus l'impureté dopante, ce qui a pour effet de "verrouiller" l'impureté dopante à l'intérieur de la couche formée par épitaxie. Il a été estimé que, dans le cas du bore, cette impureté dopante mobile diffuse latéralement en travers de la surface du corps semiconducteur à une vitesse au moins 50 fois plus grande que la vitesse à laquelle cette même impureté est capable de diffuser au travers de la masse de la matière semiconductrice constituant le susdit corps.Les effets nuisibles de la diffusion latérale des impuretés dopantes ont été accrus quand on s'est servi de tétrachlorure de silicium comme source de silicium au cours du stade initial du cycle de formation de la couche par épitaxie parce qu'il était de pratique courante de maintenir alors le corps de silicium à une température voisine de 12000C au cours de la totalité du cycle de formation de la couche par épitaxie à partir d'une telle source, afin d'aboutir à une bonne structure cristalline. Le résultat est que les limites prédéterminées des régions préalablement formées sont indésirablement distordues et déplacées à un degré tel que les caractéristiques électriques résultantes du dispositif semiconducteur se trouvent sérieusement perturbées.Un autre traitement de mise en état préalable de la surface du corps de silicium-avant la formation d'une couche déposée par épitaxie qui aboutit aux effets nuisibles énumérés ci-dessus est le traitement consistant à attaquer par une vapeur la surface de silicium à 13000C en se servant d'une phase vapeur d'halogénure comme agent d'attaque. Un exemple typique et facilement identifiable des effets nuisibles de distorsions imposées à des régions de conductivité modifiée est illustré par le cas de structures de circuits intégrés comportant des régions d'un dessin précis préalablément établies par diffusion d'arsenic et de bore dans un corps de silicium de façon à constituer des corps collecteurs de haute conductîvité et des isolements de jonction pour transistors, diodes, résistances et analogues. Une redistribution des impuretés préalablement diffusées dans ces régions a pour résultat l'abaissement des tensions disruptives des isolements, une compensation indésirée de la résistivité de la région collectrice, et quelquefois la mise en court-circuit à la terre des éléments d'une résistance.Conformément à la présente invention, une couche de silicium peut être déposée par épitaxie sur de telles régions de pré-diffusion sans perturber notablement les limites antérieurement formées des régions dopées par des donneurs ou par des accepteurs parce que les deux opérations élémentaires de mise en état préalable et de dépôt initial par épitaxie sont mises en oeuvre conformément à l'invention à des températures n'excédant jamais 1000 C. Un premier but de l'invention est donc~de réaliser un procédé perfectionné pour déposer par épitaxie une couche de silicium sur un corps semiconducteur dans lequel ont été préalablement formées des régions de type de conductivité modifié sans provoquer une distorsion appréciable des limites de telles régions. Un autre but de l'invention est de réaliser un procédé du genre défini ci-dessus en déposant par épitaxie du silicium à des températures n'excédant pas 10000 C. Ces buts de l'invention, et d'autres encore, apparaîtront au cours de la description suivante et à l'examen du dessin ciannexé, dans lequel la fig. 1A montre en coupe à une échelle fortement agrandie un corps de matériau semiconducteur comportant des régions d'un type de conductivité modifié, et illustre les effets de la mise en oeuvre de la technique selon l'art antérieur consistant à chauffer le corps jusqu'à 12000C en présence d'hydrogène. La fig. 1B montre en coupe à une échelle fortement agrandie le corps de matériau semiconducteur représenté fig. lA, après qu'une couche de matériau semiconducteur a été formée par épitaxie sur sa surface par mise en oeuvre de techniques connues dans l'art antérieur. La fig. 2A montre en coupe à une échelle fortement agrandie le corps d'un matériau semiconducteur analogue à celui représenté fig. 1A avant le traitement de formation d'un dépôt par épitaxie selon la présente invention. La fig. 2B, enfin, montre en coupe à une échelle fortement agrandie le corps de matériau semiconducteur représenté fig. 2A après le traitement de formation d'un dépôt par épitaxie selon la présente invention. En résumé, l'invention permet la formation d'une couche par épitaxie sur la surface d'un corps de matériau à base de silicium comportant des régions prédéterminées préalablement formées d'un type de conductivité modifié sans provoquer de distorsion ni de déplacement considérables des limites préalablement agencees de telles regions. Ceci est realisé par une mise en état préalable de la surface du corps de silicium en présence d'une atmosphère d'hydrogène à une température n'excédant pas 10000C pendant un laps de temps d'une durée comprise entre 5 et 30 minutes.Immédiatement après ce traitement de mise en état préalable, une couche initiale de silicium est déposée par épitaxie sur la surface mise en état préalable tout en maintenant le corps de silicium à une température n'excédant pas 10000 C. Après qu'une épaisseur initiale de 0,5 à 2 microns a été déposée sur la surface du corps de silicium, on élève la température de ce corps à une valeur comprise entre 11000C et 12500C et on l'y maintient jusqu'à ce que le reste de l'épaisseur désirée de silicium ait été déposé. On a représenté (fig. 1A) un corps semiconducteur en silicium qui peut être, par exemple, d'un type de conductivité N ou F. On a préalablement formé dans le corps semiconducteur 1, par mise en oeuvre de techniques bien connues des spécialistes, des régions 2 de type de conductivité modifié. Ces régions 2 sont soit d'un type de conductivité opposé à celui du corps se miconducteur 1, soit de même type de conductivité que celui du corps 1 mais d'une valeur de résistivité différente. La modification désirée de type de conductivité est déterminée par le type et la proportion d'impuretés dopantes utilisées pour former les régions 2. Dans la technique antérieure de formation d'une couche de silicium par épitaxie sur la surface supérieure 5 du corps 1, on pensait qu'il était nécessaire de chauffer le corps 1 jusqu'à une température comprise entre 12000C et 1350 C, en présence d'hydrogène pour en éliminer les dépôts étrangers tels que des couches d'oxydes et d'autres contaminants.On pensait, dans l'état de l'art antérieur, que telle était la seule voie possible permettant de déposer par épitaxie des couches pratiquement exemptes de piqûres, bosses et défauts d'empilement sur des surfaces semiconductrices, même quand les couches formées par épitaxie étaient ultérieurement déposées à des températures plus basses (c'est-à-dire comprises entre 1000 et 1200 C). Toutefois, des températures comprises entre 1200 et 13500C font apparaître un inconvénient : les impuretés dopantes se trouvant dans la region 2, qui est typiquement formée par mise en oeuvre de techniques de diffusion bien connues des spécialistes, se déplacent alors autour de la région 2 sur la surface supérieure 5 aussi bien que vers la masse intérieure du corps 1.Ces déplacements sont illustres fig. 1A par les flèches 20 et 30, respectivement. Des valeurs typiques de la concentration superficielle du bore, par exemple, dans la région 2, peuvent alors se trouver abaissées entre lu19 et 1020 atomes par centimètre cube. Il a été signalé que la vitesse de diffusion latérale de l'impureté dopante une fois qu'elle atteint la surface supérieure 5 comme le montrent les flèches 20 est estimée, dans le cas du bore, au moins cinquante fois plus grande en travers de la surface supérieure 5 du corps que la vitesse de diffusion vers la masse intérieure du corps comme le montrent les flèches 30. Il ne faut pas perdre de vue que quelques impuretés dopantes sont capables de quitter plus facilement les limites de la région 2 parce qu'elles sont plus volatiles : le phosphore, par exemple, est plus volatil que le bore. La principale difficulte résultant du déplacement latéral des impuretés dopantes à partir des régions 2 de conductivité modifiée en travers de la surface supérieure 5 est que, lorsqu' une couche 4 de silicium est en cours de formation sur cette surface, les impuretés dopantes se trouvent emprisonnées dans la couche 4 formée par épitaxie, comme représenté en 3 fig.lB. Ceci a pour résultat une distorsion des limites préalablement agencées des régions 2. A des fins d'illustration, ceci est represente au mieux fig. 1B en comparant les lignes en pointillé 50 indiquant les limites initiales de la région 2 avec les lignes en trait plein 60 qui, pour la même région, indiquent ses nouvelles limites après la fin des opérations de mise en état préalable et de formation du dépôt par épitaxie. Un produit préféré de la présente invention qui surmonte les difficultes sus-mentionnées est illustré de la manière la plus claire par les fig. 2A et 2B. La fig. 2A montre une structure semblable à celle de la fig. 1A à l'exception du fait qu'il n'y a pratiquement pas de déplacement des impuretés dopantes au-delà des limites initiales des régions 2 de conductivité modifiée au cours du traitement de mise en état préalable. On réalise ce perfectionnement en maintenant la temperature de mise en état prealable, à laquelle le corps semiconducteur 1 est soumis en présence d'une atmosphère d'hydrogène, à une valeur comprise entre 800 et 1000 C pendant de 5 à 30 minutes. Immédiatement après la fin de l'opération de mise en état prealable selon l'invention, il convient de déposer par épitaxie la couche de silicium 4 sur la surface superieure 5 du corps semiconducteur 1 comme le montre la fig. ZB. La portion initiale du dépôt par épitaxie est formée en maintenant la température du corps semiconducteur a une valeur inférieure ou au plus égale à 10000 C. Ceci minimise beaucoup la diffusion des impuretés dopantes mobiles présentes dans la région 2, diffusion s'effectuant en travers de la surface superficielle 5 et à la suite de laquelle ces impuretés se trouvent captées dans la couche 4 formée par épitaxie. On a découvert que, bien qu'il soit désirable de maintenir la température du corps semiconducteur 1 à un & valeur aussi basse que possible, au-dessous de 900 C, la structure cristalline de la couche déposée par épitaxie devient inacceptable comme le prouve l'abondance de défauts d'empilement et/ou de régions de polycristallinité. Typiquement, un bon dénombrement de défauts d'empilement est inférieur à 400 défauts d'empilèment par centimètre carré. Par conséquent, en vue d'obtenir lesmeilleurs résultats globaux, il est nécessaire d'établir un compromis entre l'intérêt de l'utilisation d'une basse température de formation d'un dépôt par épitaxie et la nécessité de maintenir une bonne structure cristalline par épitaxie. Ci-après sont donnés quelques-exemples, bien entendu non limitatifs, décrivant diverses variantes de mise en oeuvre de l'invention utilisables pour former de bonnes couches par épitaxie sans les inconvénients décrits ci-dessus. Exemple I.-(a) Une lamelle de silicium ayant une structure identique à celle de la lamelle 1 représentée fig. 2A est préalablement mise en état (c'est-à-dire traitée pour enlever des impuretés contaminantes et des oxydes à partir de la surface de la lamelle) en chauffant la lamelle dans une atmosphère à 100% d'hydrogène pendant 7 minutes à 1000 C. On fait varier de 5 à 30 minutes, sans différence appréciable dans les résultats, la durée du laps de temps pendant lequel la lamelle est maintenue à 10000C, (b) Une petite portion de la lamelle de silicium est cassée, polie sur l'angle et teintee dans un réactif d'attaque classique aux acides fluorhydrique et nitrique pour déterminer si les limites des regions de type de conductivité opposé se sont dés la cées ou ont été distordues.Un examen de cette portion de la lamelle au microscope ne révèle aucun déplacement lateral des limites. Si les regions examinees etaient du même type de conducti vité mais avaient une valeur de la résistivité différente de celle de la lamelle parente, alors l'essai pour déterminer un eventuel déplacement latéral serait effectué par des mesures électriques. (c) La portion restante de la lamelle est ensuite chauffée jusqu'à 100onc dans un mélange gazeux de tétrachlorure de silicium (SiC14) et d'hydrogène (environ 0,5% de SiCl4 en mules dans H2) pendant 3 minutes. Il en résulte la formation par épitaxie, sur la lamelle de silicium, d'une couche de silicium de 0,75 micron d'épaisseur : l'allure de la croissance résultante par épitaxie dans ces conditions est donc d'environ 0,25 micron à la minute. (d) Une seconde portion de la lamelle de silicium est prélevée et préparée en vue de son examen en opérant de la manière décrite ci-dessus dans le paragraphe (b). Ici encore, l'examen de cet échantillon au microscope ne révèle aucun déplacement latéral significatif des limites entre régions de type de conductivité opposé. Exemple Il.- (a) Une lamelle de silicium ayant une structure identique à celle de la lamelle l représentée fig.2A est préalablement mise en état (c'est-à-dire traitée pour enlever des impuretés contaminantes et des oxydes à partir de la surface de la lamelle) en chauffant la lamelle dans une atmosphère d'hydrogène à 100% de H2 pendant 7 minutes à 10000C. (b) On chauffe ensuite immediatement la lamelle jusqu'à 1000 C en presence d'une source de tétrachlorure de silicium (SiC14) (environ 0,5 > en moles dans H2) pendant 3 minutes, ce qui a pour resultat la formation par épitaxie d'une couche de silicium de 0,75 micron d'épaisseur. Cette epaisseur peut varier légèrement (c'est-à-dire entre 0,5 et 2 microns) aussi longtemps que la surface initiale est suffisamment scellée, de sorte qu'aucune modification significative dans le déplacement latéral des limites des régions de conductivité modifiée n'intervienne au cours des opérations ultérieures de traitement.On a constaté que, bien qu'il soit possible de faire croître par epitaxie, à 1000 C et en utilisant du tétrachlorure de silicium, des couches plus épaisses, après la formation par épitaxie de cette épaisseur initiale de silicium (c'est-à-dire de 0,5 à 2 microns) il surgit un certain nombre d'inconvénients si on poursuit la croissance à cette température.Far exemple, en premier lieux lavitesse de croissance de la couche de silicium par épitaxie est plus petite aux températures plus basses, en deuxième lieu, la structure cristalline de la couche de silicium formée par épitaxie a une plus grande tendance à comporter de plus nombreux défauts d'empilement quand cette couche est formée à des températures plus basses, et en troisième lieu le dessin des limites des régions de type de conductivité modifié tel qu'on peut le voir du dessus de la couche formée par épitaxie devient plus difficile à voir sur la surface de la couche nouvellement formée par épitaxie, ce qui rend très difficile la mise en place rigoureuse des dessins ulté- rieurs nécessaires pour former le dispositif.Far conséquent, pour surmonter ces difficultés, lorsqu'on désire des couches plus épaisses formées par épitaxie, la température du corps de silicium est élevée jusqu'à 11500C après la formation à 10000C de la couche initiale de silicium dont la croissance s'est effectuée par épitaxie. La vitesse de formation du dépôt par épitaxie à 11500C est d'environ 0,5 micron à la minute. On utilise aussi des températures comprises entre 1100 C et 1250 C pour former par épitaxie la couche plus épaisse, et cela sans différence appréciable dans les résultats à l'exception de la vitesse de formation du dépôt par épitaxie qui est accrue au fur et à mesure que la température du corps s'élève.Une source de silicium constituée par 0,2% (en moles) de silane dans de l'hydrogène a aussi été essayée à 1000 C sans différence appréciable dans les résultats à l'exception du fait que l'on n'observe plus l'effacement du dessin, phénomène gênant qui résulte de l'utilisation de tétrachlorure de silicium entièrement à 10000C. L'utilisation de silane (SiH4) entraîne toutefois un certain nombre d'inconvénients qui n'apparaissent pas quand on se sert de tétrachlorure de silicium. Far exemple, le silane est plus coûteux, plus dangereux à manipuler, et l'uniformité de l'épaisseur de la couche formée par épitaxie et de la résistivité est moins régulière d'une lamelle à une autre. (c) une petite portion de la lamelle est cassée, polie sur l'angle et teintee de la manière décrite dans l'exemple I (b). Un examen de la structure résultante ne révèle aucun déplacement latéral significatif des limites des regions de type de conductivité opposé. On observe un notable déplacement vertical des limites dans la masse du matériau de la lamelle et dans la couche nouvellement formée par épitaxie, lorsque la température de formation d'un dépôt par epitaxie a été élevée jusqu'à 1150 C. Ce déplacement n'entraîne toutefois aucun effet nuisible sur les caractéristiques électriques du dispositif. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de reali- sation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé perfectionné pour la formation par epitaxie d'une couche de silicium sur une surface principale d'un corps semiconducteur de silicium comportant une région de conductivité modifiee dont les limites suivent un dessin predéterminé et sans que cette formation perturbe notablement l'emplacement des susdites limites, lequel procedé est caracterise en ce qu'il consiste essentiellement à mettre préalablement en état ladite surface, en vue de l'application ulterieure de ladite couche par épitaxie, par chauffage du corps de silicium en présence d'hydrogène jusqu'à une température n'excédant pas 10000C pendant un laps de temps d'une durée comprise entre 5 et 30 minutes pour en enlever les matières étrangères, et immédiatement après cette mise en état préalable à déposer à partir d'une source de silicium une couche de silicium par épitaxie sur ladite surface tout en maintenant ledit corps semiconducteur à une température n'excédant pas 1000 C. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre une opération élémentaire additionnelle consistant à élever la température au cours du dépôt de la couche de silicium par épitaxie, après qu'une certaine épaisseur initiale prédéterminée de silicium a été déposée sur ladite surface principale à une température n'excédant pas 10000C, jusqu'à une valeur comprise entre 1100 et 1250 C et à compléter la formation de la couche par épitaxie à cette temperature. 3. Procédé perfectionné pour la formation par épitaxie d'une couche de silicium sur un corps de silicium tout en diminuant considérablement la diffusion latérale, en travers de la surface d'un corps semiconducteur, d'impuretés dopantes à partir de régions de type de conductivité modifié formées dans le corps semiconducteur, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à mettre préalablement ladite surface en état de recevoir ladite couche par épitaxie en chauffant le corps de silicium en présence d'hydrogène jusqu'à une température n'excédant pas 1000 C pendant de 5 à 30 minutes pour éliminer toute matière étrangère à partir de ladite surface, et immédiatement après une telle mise en état à déposer, à partir d'une source de silicium constituée par du tétrachlorure de silicium, une couche de silicium par épitaxie sur ladite surface tout en maintenant ledit corps semiconducteur à une température n'excé dant pas 1000 C. 4. procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre une opération élémentaire additionnelle consistant à élever la température au cours du dépôt de la couche de silicium par épitaxie, après qu'une certaine épaisseur initiale prédéterminée de silicium a été déposée sur ladite surface principale à une température n'excédant pas 10000 C, jusqu'à une valeur comprise entre 1100 et 12S00C et à compléter la formation de la couche par épitaxie à cette température. 5. Dispositif semiconducteur réalise par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.