Brevet FR2284189A1 — publié le 19760402

La présente invention concerne un procédé de formation d'une couche localisée de matériau polycristallin sur un monocristal du même matériau. Dans le domaine des dispositifs semiconducteurs un matériau polycristallin peut être de grand intérêt, en particulier le silicium polycristallin a des propriétés intéressantes dans certaines applications. Sa résistivité élevée permet de l'utiliser pour des zones d'isolement dans une plaquette monocristalline. La faible durée de vie des porteurs dans le matériau permet de réaliser des dispositifs présentant des constantes de temps très faibles; les capacités de jonction y sont réduites. Mais toutes ces applications supposent la réalisation de régions localisées de polycristaux sur une plaquette le plus souvent monocristalline. Différents procédés ont été employés pour former des couches localisées de silicium polycristallin sur un substrat monocristallin. Ainsi le procédé décrit dans le brevet français 1 593 881 fait appel à une technique de masquage, des sites de nucléation étant formés sur les parties de surface de substrat découvertes par les fenêtres d'un masque recouvrant la surface du substrat. Les sites de nucléation dits sites de semence sont formés dans les fenêtres en déposant un oxyde ou un corps analogue, ou en abrasant la surface, ou en alliant un métal déterminé. Mais ces procédés entraînent une suite complexe d'opérations comprenant des dépôts, des traitements thermiques, des traitements chimiques, des photogravures, des lavages etnnçages, qui multiplient les aléas de fabrication et de ce fait diminuent les rendements de fabrication et qui sont d'un prix total élevé. De plus, les parties de surface de substrat qui ne doivent pas être recouvertes de matériau polycristallin, sont perturbées par les différents traitements et se prêtent mal à une croissance de monocristal épitaxique. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre de réaliser des couches localisées de matériau polycristallin sur une plaquette monocristalline sans nécessiter d'opérations complexes, chimiques ou autres, avec le minimum de risque de défauts de fabrication et sans perturbation des surfaces autres que celles qui sont concernées. Selon l'invention, le procédé de formation d'une couche localisée de matériau polycristallin déposée sur un monocristal du même matériau est remarquable principalement en ce qu un faisceau de rayonnement d'énergie contrôlée susceptible de perturber superficiellement le réseau cristallin du matériau est dirigé sur des parties déterminées d'une surface dudit substrat, après quoi une couche cristalline est déposée sur toute ladite surface par un procédé connu d'épitaxie. Les rayonnements qui sont envisagés ici comprennent aussi bien les rayonnements de particules telles que les électrons, les ions, que les rayonnements électromagnétiques tels que celui d'un dispositif laser. La localisation des régions polycristallines qui croissent sur les sites de nucléation créés par l'impact du faisceau est ainsi obtenue sans masque et l'on évite les aléas de la photogravure et des traitements que cette technique entraine. La perturbation du réseau cristallin est obtenue à basse température, contrairement aux procédés de dépôt de masques d'oxydes, sans atteinte de la surface non concernée du substrat. Des faisceaux de particules énergétiques ont déjà été utilisés pour certaines opérations notamment sur des surfaces semiconductrices, par exemple l'implantation ionique. Un faisceau d'électrons est aussi utilisé pour déposer sur une surface d'un substrat, suivant une plage déterminée, un film de métal ou de composé métallique obtenu à partir d'un composé en phase vapeur. L'utilisation du faisceau de rayonnement selon l'invention ne comporte par contre aucun apport de matière et ne provoque pas de réaction chimique qui oblige de protéger les parties de surface non concernées. La transformation superficielle du réseau cristallin obtenu selon l'invention est une transformation in situ qui ne provoque aucune surépaisseur ni différence de niveau. Le faisceau de rayonnement énergétique peut avoir un impact de très petite surface, comme celui d'un laser, et balayer la surface à perturber en suivant un trajet imposé. Le balayage est effectué par exemple au moyen d'un pantographe ou d'un dispositif à commande XY contrôlant le mouvement relatif du faisceau par rapport au substrat. Ce mouvement peut être programmé sur ordinateur. Dans d'autres cas, le faisceau de rayonnement énergétique peut avoir un impact de surface suffisante pour intéresser toute la plage qui doit être perturbée; on forme sur le substrat une image de la surface à perturber. Le faisceau de rayonnement utilisé pour perturber superficiellement le réseau cristallin est avantageusement un faisceau laser issu par exemple d'un dispositif à cristal de grenat ou rubis, ou d'un dispositif à gaz C92. Le faisceau de rayonnement peut être également un faisceau d'électrons et l'opération de perturbation localisée de la surface est effectuée sous vide. Le balayage de la surface à perturber est effectué au moyen de dispositifs de focalisation et de déviation électromagnétique. Le faisceau de rayonnement peut être également un faisceau d'ions ou de protons selon les procédés connus sous le nom de bombardement ionique ou protonique. Dans le cas du silicium les ions utilisés sont des ions positifs ou négatifs avec des énergies de l'ordre de 1 à 100 KeV. Les éléments utilisables dans ce cas sont par exemple l'argon, le néon. Il va de soi que le substrat dont la surface est traitée peut être une plaquette monocristalline, ou une plaquette de toute autre structure ou matériau, comportant une couche superficielle monocristalline. Après perturbation superficielle du réseau cristallin du substrat au moyen du faisceau de rayonnement d'énergie contrô idée, on dépose sur toute la surface dudit substrat une couche de matériau épitaxial, par un procédé d'épitaxie en phase vapeur ou en phase liquide. Les régions de cette couche recouvrant les parties de surface de substrat monocristallin non atteintes par le faisceau prolongent la structure cristalline du substrat et présentent également une structure monocristalline. Les régions de la couche déposée recouvrant les parties de surface de substrat atteintes par le faisceau présentent par contre une structure de polycristal. Selon les conditions de croissance de la couche épitaxique, cette structure, dans le cas du silicium, peut comporter des nodules microcristallines sans direction privilégiée ou bien des cristallites en forme d'aiguilles orientées dans les directions de la croissance; les conditions de croissance déterminent également la grosseur du grain qui est un des principaux paramètres des caractéristiques du matériau polycristallin. Dans le cas du silicium, le matériau polycristallin qui est déposé sur les parties de surface traitées par le faisceau, a une résistivité beaucoup plus élevée que le matériau monocristallin qui est déposé sur les autres parties de la surface du substrat monocristallin. Les résistivités des parties monocristallines et polycristallines d'une couche de silicium obtenues au cours d'un même dépôt épitaxique peuvent être respectivement de 10 Qcm et de 105 à 106Rcm. En donnant à la surface traitée par le faisceau une forme de couronne entourant- une surface non traitée, on obtient alors par épitaxie une région monocristalline isolée latéralement du reste de la couche épitaxiale par une couronne de matériau polycristallin à haute résistivité. La profondeur de pénétration du faisceau, mesurée par l'épais- seur de la couche perturbée est de préférence minimale, de façon à ne nécessiter qu'un faisceau de caractéristiques minimales et à conserver le substrat monocristallin pratiquement dans son intégralité, par exemple une profondeur de 300 à 1000 est le plus souvent suffisante. Selon un mode avantageux de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on utilise un substrat de silicium semiconducteur monocristallin, présentant au moins sur une face un premier type de conductivité et on crée dans ce substrat, par diffusion localisée à partir de ladite face, des zones diffusées de même type de conductivité mais à très forte concentration d'impuretés. Un faisceau de rayonnement d'énergie contrôlée est dirigé sur la surface de ces zones diffusées de façon à y perturber superficiellement le réseau cristallin. Une couche épitaxiale de type de conductivité opposé a celui du substrat est ensuite déposée sur toute la face de ce dernier. Au cours de cette opération de dépôt épitaxique, on constate que les impuretés des zones diffusées diffusent rapidement dans les parties de couche déposée qui les recouvrent et qui sont formées de matériau polycristallin. Les impuretés donnant le type de conductivité opposé à la couche épitaxique sont compensées, et au-delà, par cette diffusion. Si les zones diffusées et perturbées superficiellement sont en forme de couronnes, on obtient ainsi au sein de la couche épitaxiale des caissons susceptibles d'etre isolés et de contenir des éléments actifs ou passifs de circuit intégré. En particulier, selon ce procédé, des caissons sont formés dans une couche épitaxiale de silicium de type N déposée sur un substrat de silicium monocristallin de type P, au moyen de murs polycristallins de type P. Ce procédé supprime les diffusions d'isolement faites habituellement dans la couche épitaxiale, ce qui évite les risques de décalage de masque ou de distortion des motifs entre la diffusion dans le substrat et la diffusion correspondante dans la couche épitaxiale. L'invention est applicable à la réalisation de régions localisées de matériau polycristallin ou amorphe au sein d'une plaquette monocristalline, notamment dans un matériau semiconducteur et en particulier dans le silicium monocristallin; de telles régions sont utilisées dans les circuits intégrés, les matrices de diodes notamment. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures la à lc sont des coupes schématiques montrant des étapes de la fabrication d'un dispositif semiconducteur. La figure 2 est une coupe schématique d'un autre dispositif obtenu selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé. La figure 3 est une coupe schématique d'un troisième dispositif obtenu selon une autre variante de mise en oeuvre. Les figures 4a å 4h sont des coupes schématiques montrant des étapes du procédé selon l'invention appliqué à la fabrication d'un circuit intégré. Le dispositif considéré sur les figures la å lc est obtenu à partir d'une plaquette i de silicium monocristallin. Une de ses grandes faces 2 est préparée en vue de l'application du procédé, par un traitement approprié, par exemple un polissage optique suivi d'un léger décapage (fig. la). Au moyen d'un faisceau laser 4 issu d'une source 3 constituée par un laser à cristal, et localisé au moyen d'une lentille 5, on balaie les plages voulues 6 de la surface de la plaquette 1. Le balayage est obtenu par exemple par déplacement, selon les axes X et Y de la plaquette 1. L'énergie du faisceau laser est réglée pour obtenir des perturbations du réseau o cristallin sur une épais#seur inférieure à 1000 A. Après une préparation de la surface de la plaquette selon les procédés habituels utilisés en vue d'un dépôt épitaxique, une couche épitaxique de silicium 7 est déposée par un procédé de dépôt en phase vapeur, de préférence à partir de silane SiH4 et å tempé- rature modérée, de l'ordre de 1050t par exemple. Lors de la croissance de la couche 7, on obtient au-dessus des plages 6, des régions 8 de silicium polycristallin, le silicium perturbé des plages 6 servant de sites de semence à la croissance de nombreux polycristaux. Le dispositif représenté sur la figure 2 est obtenu de la même façon que le dispositif de la figure Ic, mais la plaquette est ici constituée par un substrat 11 recouvert d'une couche épitaxiale 12, monocristalline. C'est la surface de cette couche 12 qui est traitée au moyen d'un faisceau de rayonnement énergétique de façon à former des plages 16 sur lesquelles va croître du matériau polycristallin au cours du dépôt épitaxique de la couche 17. Le traitement de surface formant les plages 16 n'agit que sur une très faible profondeur sensiblement inférieure à l'épaisseur de la couche 12.Au contraire, pour le dispositif de la figure 3, on a utilisé un substrat 21 recouvert d'une couche épitaxiale 22 et le faisceau de rayonnement énergétique est réglé pour pénétrer dans le matériau de la couche 22 jusqu'à atteindre le substrat 21, l'épaisseur de la couche 22 étant prévue dans ce but suffisamment faible. Au-dessus des régions perturbées 28 la croissance d'une couche épitaxiale 27 donne des régions polycristallines 26. Les figures 4a à 4h illustrent un exemple de fabrication d'un circuit intégré comprenant au moins un transistor NPN, la partie du dispositif où est situé ce transistor étant seule représentée. La fabrication commence par la préparation d'un substrat constitué par exemple par une plaquette 31 de silicium monocristallin, de type P, dopé au bore, de résistivité de l'ordre de 5 Qcm, et de 250 li d'épaisseur (fig. 4a). Une diffusion formant des régions 32 de type P avec un très fort dopage au bore, de l'ordre de 1019 à 102 atomes/cm3 est ensuite effectueeselon des plages correspondant aux murs des caissons d'isolement que lton veut réaliser, en particulier selon une plage en forme de couronne devant entourer le transistor prévu (fig. 4b). On procède ensuite à une diffusion 33 de type N avec un fort dopage, selon une plage correspondant à la couche enterrée de conduction du collecteur du transistor prévu (fig. 4c). La surface des régions 32 est ensuite traitée selon l'invention au moyen d'un faisceau de rayonnement énergétique, par exemple un faisceau d'ions argon, d'une énergie de l'ordre de 40 KeV. La couche superficielle 34 des régions 32 est ainsi transformée en silicium amorphe (fig. 4d). Sur toute l'étendue de la surface de la plaquette 31, on dépose ensuite par épitaxie en phase vapeur une couche épitaxiale 35 de silicium monocristallin de type N dopée à l'arsenic à 1016 atomes/cm3 environ. Au-dessus des plages à réseau cristallin perturbées 34, le silicium formé 36 est polycristallin. Au cours de l'opéra- tion d'épitaxie, ainsi qu'au cours des opérations thermiques suivantes, le bore des régions 32 diffuse dans le silicium polycristallin 36 et il y a compensation des impuretés donnant le type N. On obtient en 36 des régions de forte résistivité, de l'ordre de 106 Qcm (fig. 4h). - REVENDICATIONS 1.- Procédé de formation d'une couche localisée de matériau polycristallin sur un monocristal du même matériau, caractérisé en ce qu'un faisceau de rayonnement d'énergie contrôlée susceptible de perturber superficiellement le réseau cristallin du matériau est dirigé sur des parties déterminées d'une surface dudit substrat, après quoi une couche cristalline est déposée sur toute ladite surface par un procédé connu d'épitaxie. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface à perturber est couverte par balayage au moyen d'un faisceau ayant un impact de très petite surface. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau forme sur le substrat une image de la surface à perturber. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement est un rayonnement laser. 5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau est un faisceau d'électrons. 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau est un faisceau d'ions. 7.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la profondeur de pénétration de l'effet perturbant dudit faisceau est inférieur à 1000 Angtroms. 8.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, le cristal étant un cristal de silicium présentant sur au moins une face un premier type de conductivité, des zones diffusées de même type de conductivité à très forte concentration d'impuretés sont formées localement à partir de ladite face, un faisceau de rayonnement d'énergie contrôlée est dirigé sur la surface desdites zones diffusées et une couche épitaxique de type de conductivité opposé à celui du substrat est déposée sur toute ladite face. 9.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on donne aux parties de surface perturbées par le faisceau de rayonnement une forme de couronne entourant au moins un élément de circuit. 10.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cristal étant constitué par une plaquette recouverte d'une couche épitaxiale déposée, d'épaisseur minimale, la profondeur de pénétration de l'effet perturbant du faisceau est supérieure à cette épaisseur. 11.- Dispositif semiconducteur comportant des zones localisées de matériau polycristallin au sein d'une couche monocristalline d'une plaquette semiconductrice, lesdites zones étant formées par croissance, dans des conditions de dépôt épitaxique, au-dessus de parties de surface de monocristal perturbées suivant un procédé conforme à l'une des revendications 1 à 10.