Brevet FR2133598A1 — publié le 19721201

La présente invention concerne le dépôt de couche épitaxiale sur des substrats semiconducteurs^, et plus particulièrement une méthode permettant de contrôler le degré de concentration des impuretés dans la couche épitaxiale par compensation d'une impureté rétrodiffusée. 5 Le terme "croissance épitaxiale" qui est couramment utilisé dans la tech nique implique la continuation d'une structure réticulée d'un substrat cristallin dans une substance déposée. Dans le secteur des semiconducteurs on dépose de manière classique une couche de semiconducteur sur une pastille monocristal-line semiconductrice dans laquelle le réseau cristallin de la couche continue 10 le réseau du cristal de la pastille de base. Les régions actives des dispositifs sont généralement réalisées dans la couche épitaxiale et la pastille de base sert essentiellement de support. A la fabrication des dispositifs à circuits intégrés, il est classique dans la réalisation des transistors de diffuser des impuretés dans la pastille 15 de base pour former des régions de sous-collecteur à conductivité élevée. On a remarqué qu'au cours des phases initiales du cycle de dépôt épitaxial les impuretés sont libérées dans ces régions et se répartissent latéralement sur la surface de la pastille. Ces impuretés se trouvent incorporées dans la couche épitaxiale au cours de la croissance. Dans certains dispositifs où la pastille 20 de base et la couche épitaxiale sont dopées à l'aide du même type d'impureté, le type opposé d'impureté qui est rétrodiffusé des régions diffusées peut se trouver en quantité suffisante pour modifier le type d'impuretés de la région interfaciale entourant la région diffusée. Dans d'autres dispositifs, où la région diffusée et la couche épitaxiale sont de type opposé à celui de.la pas-25 tille de base, il se produit des variations de résistivité dans la pellicule épitaxiale les résistivités les plus basses apparaissant à proximité de la région interfaciale. Cela peut avoir des effets néfastes sur les performances du dispositif considéré. A mesure que s'est développée la technique des semiconducteurs on a miniaturisé de plus en plus les dispositifs dans lesquels étaient 30 incorporés des composants actifs aussi bien que passifs qui se trouvaient positionnés à très faible distance les uns des autres. C'est pourquoi les problèmes soulevés par les phénomènes d'autodopage sont devenus plus graves. Ceci est particulièrement vrai dans les applications faisant appel à un système d'auto-isolation tel qu'exposé dans la demande de brevet série N°B75.Q12 attribuée au 35 présent demandeur et déposée le 10.11.1969 qui décrit un procédé dans lequel des dispositifs sont formés en régions produites par réirodiffusion d'une région fortement dopée dans la pastille de base suivant un mouvement ascendant dans la couche épitaxiale. Dans de tels cas, la base de la pastille et la couche épitaxiale qui la surmonte sont dopées à l'aide d'un type d'impureté 40 similaire. L'autodopage provoque la formation de régions étendues minces 72 11399 2133598 d'impureté à l'interface entre la pastille et la couche épitaxiale qui est susceptible de déborder lorsque les dispositifs sont extrêmement rapprochés et de provoquer en conséquence des courts-circuits internes intempestifs. L'au-todopage soulève en outre des problèmes en ce qu'il modifie les profils d'impuretés dans la couche épitaxiale. L'exemple typique est fourni par la formation d'une résistance dans une telle couche épitaxiale. Un dopage non-uniforme de cette couche provoque des conductivités élevées dans les résistances, ce qui complique notablement le contrôle de la formation des dispositifs. On connait trois types principaux de procédé de croissance épitaxiale en phase vapeur à savoir les procédés de disproportionnement les procédés de réduction par l'hydrogène et les procédés de décomposition pyrolytique. En principe, dans la croissance épitaxiale en phase vapeur, utilisant une réaction de disproportionnement une substance qui est un constituant semiconducteur est formée en un composé avec un élément ou matériau porteur à une certaine température dans le dispositif de déposition et est libéré ou disproportionné de l'élément porteur à une température différente sur le substrat qui est couramment monocristallin . Dans les procédés de réduction par l'hydrogène, un composé dont le semiconducteur est un constituant est décomposé par la chaleur et une atmosphère réductrice au voisinage du substrat et le constituant du composé ou l'élément semiconducteur du réseau croît sur le substrat. Dans les procédés de décomposition pyrolytique, un composé dont le semiconducteur est un constituant est décomposé par la chaleur au voisinage du substrat et le constituant du composé où l'élément semiconducteur du réseau croît sur le substrat. Dans ces procédés de déposition, la croissance épitaxiale s'effectue généralement à température élevée. Par exemplB, le dépôt épitaxique de silicium sur un substrat de silicium s'effectue normalement dans une plage de température de 9QQ à 12Q0°C. Dans la fabrication d'un dispositif à circuit intégré il est commode de déposer une pellicule ou couche épitaxiale sur un substrat semiconducteur sur les régions diffusées dans le substrat. A la température à laquelle la croissance épitaxiale se produit l'impureté dans une région diffusée a une pression de vapeur suffisante pour rétrodiffuser de la région diffusée. Etant donné les .conditions aérodynamiques le courant principal du gaz s'écoulant dans le réacteur crée une couche mince de gaz relativement statique dans le voisinage immédiat de la surface du substrat. Certains des atomes d'impureté qui rétrodiffusent auront une énergie suffisante pour pénétrer dans le courant principal de gaz encore que la plupart des atomes d'impureté de la région diffusée n'aient pas une énergie suffisante pour traverser cette couche 72 11399 3 2133598 limite mince. Il en résulte que ces atomes sont répartis latéralement dans la couche généralement statique de gaz du fait qu'il n'existe aucune restriction thermique ou aérodynamique limitant les déplacements latéraux des atomes dans cette cauchej il est alors possible que les atomes d'impureté se redéposent 5 sur la surface du substrat non seulement sur la région diffusée mais également sur les régions non diffusées ou les régions du substrat. Ce déplacement latéral des atomes d'impuretés est dû à la tendance à établir un équilibre de la concentration d'impuretés dans la phase gazeuse de la couche limite. Lorsque la substance semiconductrice s'est déposée, l'impureté rétro-diffusée est recouverte, 10 ce qui provoque l'auto-dopage de la pellicule épitaxiale ou d'une autre couche déposée à des distances substantielles de la région diffusée dans le substrat. Certes, la concentration en impuretés décroît quelque peu lorsqu'on s'éloigne de la région diffusée mais elle reste notable à des distances relativement importantes de la région diffusée. 15 La présente invention fournit une méthode de croissance épitaxiale de manière qu'elle ne présente pas une concentration d'impureté incontrôlée due à 1'autodopage. Dans la méthode de la présente invention, l'autodopage est réduit ou supprimé par compensation avec une impureté inverse de l'impureté rétro-diffusée. La compensation est effectuée jusqu'à ce que la couche soit suffisam-20 ment épaisse pour éviter que se poursuive toute rétrodiffusion des régions diffusées. La présente invention a pour objet uns méthode permettant de contrôler l'autodopage. La présente invention a également pour objet une méthode permettant de minimiser l'autre dopage en introduisant dans le courant réagissant pendant 25 un dépôt épitaxial, une impureté qui compense l'impureté rétro-diffusée du substrat. On réduit au minimum l'auto-dopage pendant un dépôt épitaxial d'un semiconducteur sur une pastille de base comportant des régions diffusées en introduisant une impureté compensatrice de dopage contraire à l'impureté qui rétrodiffu-3Q se pendant la phase initiale de déposition. Afin de déterminer la concentration adéquate de compensation en dopant on commence par faire croître une couche épitaxiale sur des régions diffusées d'une pastille d'essai et l'on étudie ensuite la courbe ou profil de la pastille afin de déterminer la profondeur des régions formées à l'interface par l'impureté rétrodiffusée. On détermine ensuite 35 la concentration et la durée de l'impureté compensatrice et l'on utilise ce renseignement lors de la croissance de la couche épitaxiale sur les pastilles. Les objets, particularités et avantages susmentionnés et autres de la présente invention résultent de la description plus détaillée des modes de réalisation préconisés de la présente invention tels qu'illustrés dans les dessins 40 ci-joints. 72 11399 2133598 Lies figures 1 à 3 représentent une suite de coupe d'un semiconducteur qui illustre la structure obtenue pendant les différentes étapes du procédé de la présente invention. La figure 3A est un graphique du débit de l'impureté en fonction de 5 l'épaisseur de la couche épitaxiale pour le dépôt d'une couche épitaxiale du même type de conductivité que la pastille de base dans la méthode de la présente invention. La figure 4 est une coupe d'un dispositif d'un semiconducteur qui montre le profil typique obtenu par auto-dopage pendant le dépôt d'une couche épitaxia-10 le de type N sur un substrat de type P avec diffusion localisée de N+ par des techniques bien connues dans ce domaine. La figure 5 est un graphique représentant la concentration en impuretés en fonction de la profondeur qui illustre le profil d'impureté résultant d'un auto-dopage du type N non contrôlé a'un déppôt intrinsèque et la comparaison 15 avec un profil obtenu grâce au procédé de la présente invention. La figure 6 est une coupe d'un dispositif semiconducteur représentant une couche épitaxiale du type P déposée sur un substrat P contenant,une région diffusée localisée N+ illustrant un profil courant obtenu lorsque l'on ne tente d'aucune manière de contrôler 1'auto-dopage. 20 La figure 7 est un graphique représentant la concentration d'impuretés en fonction de la profondeur qui illustre à titre de comparaison des profils obtenus par la présente invention et par la méthode de l'art antérieur relative au dépôt des couches épitaxiales. En se reportant maintenant aux dessins, la figure 4 illustre la configura-25 tion d'une région d'impureté rétrodiffusée dans la couche épitaxiale de type N déposée par les techniques classiques de l'art antérieur. Comme on le voit, la région diffusée 10 d'impureté de type contraire à la pastille de base 12 produit dans la couche épitaxiale 14 une région 15 se prolongeant latéralement par des régions 16 longues et minces autour de la région 10 située à l'interface 30 17 entre la pastille 12 et la couche 14. Dans certains types de dispositifs, la région 16 provoque des courts-circuits entre les éléments actifs et en outre elle altère les caractéristiques des résistances lorsque l'on réalise des dispositifs à circuits intégrés dans la couche 14. La courbe A de la figure 5 montre le profil obtenu sur la coupe 5A et indique une concentration d'impureté 35 relativement élevée contigue à l'interface. Le degré de rétrodiffusion du semiconducteur des régions dans la pastille de base pendant la croissance épitaxiale dépend d'un certain nombre de facteur. La diffusivité de l'impureté constitue un facteur essentiel. En général, plus la diffusivité est élevée, plus la rétro-diffusion sera forte. La température 40 qui règne pendant le dépôt épitaxique est importante. Plus la température est 72 11399 2133598 élevée, plus la rétro-diffusion est élevée. Le type de substance semiconductrice de la pastille de base exerce également une influence. La figure 1 représente une pastille monocristalline 18 dopée avec une impureté de type P avec une région diffusée présentant une concentration rela-5 tivement élevée en impureté de type N. On fait croître une couche épitaxiale initiale mince 22 sur une pastille de base 18, en positionnant la pastille dans un tube de réaction épitaxiale ouvert classique et en introduisant avec le produit de réaction semiconducteur, un courant d'une impureté dont le type est opposé à l'impureté qui rétrodiffuse dans la région 20 en quantité suffisante 10 pour la compenser. est une imposte typique de type P qui convient pour compenser une impureté de type N qui rétrodiffuse d'une région semiconductrice. Le courant de compensation de l'impureté doit être soigneusement adaptée pour compenser l'impureté rétrodiffusée. Afin de déterminer la durée nécessaire du passage de l'impureté et sa concentration on dépose d'abord une couche épita-15 xiale sur un support comportant des régions diffusées à concentration élevée. Afin que l'effet soit bien représentatif, la pastille et les conditions de dépôt de la couche épitaxiale doivent être analogues. Après avoir déposé la couche initiale, on coupe la pastille afin de déterminer l'épaisseur de la zone comprise dans l'impureté et la concentration moyenne. On utilise les résultats 20 pour déterminer la durée et la concentration de l'émission compensatrice que l'on utilisera lors de la croissance de la couche 22. On peut calculer la durée du courant de compensation lorsque l'on connaît l'épaisseur de la crête ou du maximum d'impureté et la vitesse de déposition de la couche épitaxiale. On peut calculer cette durée en divisant l'épaisseur 25 de la crête par la vitesse de dépôt. La détermination de la quantité convenable de l'impureté compensatrice est moins précise. La concentration d'impureté de la couche pour un ensemble donné de condition peut être déterminée expérimentalement . Après qu'une couche mince ait été déposée sur la région diffusée, la rétro-30 diffusion de l'impureté cesse pratiquement et le reste de la couche peut être déposé sans compensation. Cela est représenté sur la figure 3. La figure 3A représente un diagramme d'écoulement courant pour le dépôt d'une couche épitaxiale de type P sur une pastille P- contenant des régions diffusées N+. On remarquera qu'on utilise un courant initial 21 de B_H„ pour Z. b 35 compenser le dopant de type N rétrodiffuse et l'on réduit ensuite la concentration afin de n'obtenir que le dopant de base destiné à la couche épitaxiale. Il y a lieu d'utiliser ce mode d'écoulement pour déposer une couche épitaxiale p-compensée sur une pastille. Lors de la croissance d'une couche semiconductrice épitaxiale sur une 40 pastille de substance semiconductrice, la pastille de base est positionnée dans 72 11399 6 2133598 un réacteur épitaxique sur un suacepteur ou autre élément chauffant et la pastille portée à la température de croissance ordinairement de l'ordre de 900 à 1300°C. On introduit alors dans la chambre un mélange gazeux réactif capable de déposer une substance semiconductrice. 5 Le mélange gazeux contient un composé de la substance semiconductrice et un gaz porteur. Amené au contact de la pastille chauffée, le semiconducteur s'est déposé sur la. pastille en formant un prolongement du réseau cristallin original de la pastille. Le composé de substances semiconductrices peut être. SiH^, SiCl^, SiHClg, GeH^, Gel^ ou d'autres sources de substances semiconductri-10 ces telles que les composés III, IV ou 2-VI. Le gaz servant de transport est couramment de l'hydrogène mais peut également être un autre gaz inerte tel que l'argon ou un gaz analogue ou bien un mélange de gaz. La courbB B de la figure 5 représente un profil courant de concentration en impureté relevé sur la coupe 5B de la figure 3 au moyen d'un appareil d'étalement à résistance. La 15 courbe A représente un profil courant relevé sur une couche analogue épitaxiale dopée N sur un support P que l'on peut obtenir si l'on ne prend aucune mesure pour atténuer l'effet d'auto-dopage. Lin tel profil peut être obtenu selon la coupe 5A de l'élément représenté sur la figure 4. La courbe A de la figure 5 montre clairement l'accumulation de l'impureté type N à l'interface à la suite 20 de la rétrodiffusion de la ré'gion de diffusion 10. La figure 6 représente une couche épitaxiale de type P 30 déposée sur une pastillB de type P 18 comportant une région 20N+. La courbe 7A représente le profil relevé sur la région adjacente 20 coupé selon 7A lorsque la couche 30 est déposée par la méthode de la présente invention. A titre de comparaison la 25 courbe 32 montre le profil relevé au même point que l'on peut raisonnablement attendre en utilisant les techniques de dépôt de l'art antérieur pour déposer la couche 30. On notera qu'en utilisant la technique ordinaire l'on constate une concentration importante d'impureté à l'interface 17» Les exemples suivants sont fournis pour décrire les modes de réalisations 30 préconisés particuliers de la méthode sans iBur attribuer un caractère limitatif. EXEMPLE I On a placé une pastille de silicium présentant plusieurs régions diffusées dans un tube de réaction ouvert standard horizontal sur un suscepteur chauffé par induction en haute fréquence. Les pastilles étaient dopées à l'aide 35 d'une impureté type P et leur résistivité étaient de l'ordre de 2 à 10 ohms cm. Les régions diffusées occupaient approximativement 5 à 10% de la surface de la 20 3 pastille et la concentration superficielle était de 1 x 10 par cm . Les régions diffusées étaient des régions type N obtenues par diffusion en capsule en utilisant une source de vapeur d'arsenic. 40 Le réacteur maintenu à température ordinaire a été purgé pendant 10 72 11399 7 2133598 minutes par uns circulation d'argon dans le tube sous un débit de 10 litres par minute. Le réacteur toujours à température ordinaire a été ensuite purgé à l'hydrogène pendant 10 minutes sous un débit de 20 litres par minute. On a ensuite recuit la pastille pendant 10 minutes à 1175°C dans une atmosphère 5 d'hydrogène. La température du suscepteur a été ensuite réglée à 1160°C et l'on a fait circuler l'hydrogène servant de support gazeux à travers la chambre sous un débit de 10,5 litres par minute. De plus on a fait barboter un second courant d'hydrogène avec un débit de 90 cm^1™11 dans du SiCl^ que l'on a introduit ensuite dans la chambre avec le gaz porteur. Le SiCl^ était maintenu 10 à température ordinaire. Le courant résultant fournissait un moyen d'introduire 3 SiCl^ dans la chambre sous un débit de 30 cm par minute. Afin de fournir l'agent de dopage de base type P à la couche épitaxiale on a introduit dans la chambre de réaction un mélange de 23 ppm de B H dans l'hydrogène sous un 3 débit de 30 cm par minute. La vitesse de dépôt était de l'ordre de 0,55 microns 15 par minute. Après refroidissement de la pastille à température, ordinaire on l'a sorti et au moyen des techniques connues on a déterminé l'épaisseur de la zone maximale d'impureté à l'interface de la couche épitaxiale et de la pastille provenant du phénomène d'auto-dopage. On a constaté que l'épaisseur de cette crête mesurée à 3,5 microns du bord de la région diffusée était de 20 0,2 microns. On a déterminé la concentration de l'impureté par une mesure d'étalement à l'aide de résistance. On a procédé à une seconde opération en se basant sur les renseignements obtenus relatifs à l'épaisseur et à la concentration de la cr§te d'impureté afin d'éliminer cette crête dans le dépôt suivant. Pour des raisons de commodité la couctîe-épitaxiale a été déposée sous un débit 25 plus réduit afin de faciliter le contrôle de la durée de l'émission de substances introduites dans la chambre afin de compenser l'impureté résultante de l'auto-dopage. On a chauffé la pastille à 1060°C, on a fait circuler le support d'hydrogène gazeux sous un débitde 10,5 litres par minute et un courant d'hydrogène barbotant dans le tétrachlorure de silicium à température ordinaire. Pour 30 disposer d'une émission d'impuretés compensatrices on a introduit un mélange 3 de 23 ppMm de B H dans l'hydrogène dans la chambre sous un débit de 116 cm / b par minute. Lorsque la couche épitaxiale a atteint une épaisseur de 0,02 mi- 3 crons, on a réduit le débit de B2 H6 et d'hydrogène à 30 cm pour fournir le dopage type P de base. Après refroidissement de la pastille, à température 35 ordinaire, on l'a soumise aux techniques de mesure qui ont révélé que la crête d'impureté due à l'autodopage que l'on avait constaté dans la première opération était éliminée . EXEMPLE II On a utilisé le même'appareillage et les mêmes techniques générales que 40 dans l'exemple I pour déposer une couche épitaxiale de type N sur une pastille 72 11399 ô 2133598: de type P telle que décrite précédemment. Le débit du support gazeux SiCl4 était analogue. Toutefois afin de disposer d'un dopage type N on a introduit dans la chambre de réaction un mélange de 15 ppm d' AsH^ dans l'hydrogène sous un débit de 1cc par minute. APrès refroidissement de la pastille à tempé-5 rature ordinaire, on a déterminé le profil par la technique d'étalement par résistance pour déterminer l'épaisseur de la crête d'impureté provenant du phénomène d'autodopage. On a constaté que l'épaisseur d'impureté de la crête était de 0,2 microns approximativement à une distance de 3,5 microns des ré-, gions diffusées. On a ensuite déposé une couche du type N sur une pastille 10 identique en tirant parti de ces résultats. On a fait circuler un courant de support gazeux d'hydrogène d'un débit de 10,5 litres par minute sur la pastille portée par un suscepteur chauffé à une température de 1120°C. On a fait barboter un autre courant d'hydrogène dans du tétrachlorure de silicium à température 3 ordinaire sous un débit de 30 cm que l'on a fait passer dans la chambre de 15 réaction. On introduit dans la chambre une émission initiale d'impureté composée d'un mélange de 23 ppm de B H CDiborane) dans l'hydrogène sous un débit de 3 1cm par minute. On a déposé une couche épitaxiale à une vitesse de 0,2 microns par minute. Après une minute,, on avait obtenu sur la pastille une couche épitaxiale d'environ 0,2 microns et l'on a suspendu la circulation du B H et du » 2 6 20 tétrachlorure de silicium. On a fait circuler pendant environ une minute exclusivement un courant de support gazeux d'hydrogène dans la chambre afin de chasser l'excès d'impureté de B„H . On a ensuite introduit dans la chambre un 3 mélange de 15 ppm de AsH3 dans l'hydrogène sous un débit de 1 cm par minute. On a maintenu ce courant pendant environ 7 minutes jusqu'à déposer une couche 25 épitaxiale d'une épaisseur d'environ 3 microns. Après refroidissement de la pastille à température ordinaire, on a déterminé son profil par la technique d'étalement par résistance et l'on a constaté que la crête d'impureté n'était plus présente alors qu'elle l'était dans la pastille préparée pendant la première phase du présent exemple. 30 Bien que l'invention ait été décrite et représentée sous un certain mode de réalisation particulier, il va de soit qu'elle peut recevoir aussi bien dans la forme que dans les particularités diverses variantes rentrant, dans l'esprit et la portée de la présente invention. 72 11399 9 2133598 REVENDICATIONS 1.- Procédé pour minimiser l'auto-dopage pendant le dépôt d'une couche épitaxiale d'un matériau semiconducteur à partir d'une phase gazeuse sur une base de matériau semiconducteur cristallin qui comprend des régions contenant 5 une impureté semiconductrice caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes t croissance initiale d'une couche épitaxiale sur une pastille d'essai sur les régions diffusées en mettant en contact la pastille da base chauffée avec un mélange de réaction gazeux, 10 détermination dans le profil dB la pastille de l'épaisseur de la région rétrodiffusée et de la concentration moyenne d'impureté à l'interface de la pastille de base et de la couche épitaxiale et croissance d'une couche épitaxiale sous des conditions similaires en ce qui concerne le gaz porteur, la température et le débit, tout en compensant 15 simultanément la rétrodiffusion d'impuretés en introduisant un débit d'impuretés de compensation d'un type opposé à celui de l'impureté dans la région diffusée, le débit et la durée de l'impureté de compensation étant ajustéssuivant le profil déterminé à partir de la pastille d'essai, 2.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le composé de 20 matériau semiconducteur servant au dépôt est choisi dans le groupe composé de SiH., SiCÎ,., SiHCJt , GeH et Gel.. . 4 4 3 4 4 3.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le composé de matériau semiconducteur est SiOt^. 4.- Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la base est 25 chauffée à une température comprise entre environ &00° et 1300°. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 4 caractérisé en ce que le gaz porteur est l'hydrogène. B.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'impureté de compensation est B_H_. / b 30 7.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'impureté de compensation est AsH3•