Brevet FR2463507A1 — publié le 19810220

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une couche de silicium polycristallin à basse résistivité, et la structure produite selon ce procédé comprenant une couche de silicium polycristallin ayant un coefficient de température relativement petit de résistivité. Les couches déposées de silicium polycristallin dopé sont utilisées dans des dispositifs de circuit intégré à grande échelle (LSI) comme matériau conducteur à la place de conducteursmétalliques Ces couches déposées recouvrent ordinairement un matériau isolant, qui peut être du dioxyde te silicium et/ou du nitrure de silicium formé comme un revêtement sur un noyau de silicium, ou pelut être du saphire suivant la technologie appelée silicium-sur-saphire (SOS). Un exemple de l'utilisation du silicium polycristallin comme conducteur est le dispositif métal-oxyde-semi- conducteur (MOS) à grille en auto-alignement, dans lequel une couche de silicium polycristallin de forme définie sert d'électrode de grille. Le silicium polycristallin est aussi utilisé pour la fabrication de contact en silicium polycristallin et d'interconnexionsutilisées pour connecter électriquement des éléments actifs et passifs variés déposés sur la même pastille de circuit intégré. Les couches de silicium polycrisZallin avec dopants similaires à ceux des pastilles de silicium monocristallin ou des couches èpitaxiales,ont une plus haute résistivité que le silicium monocristallin. Ceci est vrai pour les deux couches de silicium polycristallin à dopage par diffusion gazeuse ou par implantation d'ions. Afin de réduire la résistivité de telles couches,elles sont recuites thermiquement à hautes températures, de façon caractéristique en chauffant les couches à 10000C sous azote sec pendant approximativement 15 minutes. Dans certaines applications,tel que desdispositifs de circuit intégré à forte irradiation, le chauffage a de telles hautes températures;dégrade les performances de fonctionnement du dispositif. Des expérimentations récentes ont montré que les radiations laser peuvent être utilisées avec succès pour recuire des substrats de silicium monocristallin qui avaient été endommagés par l'implantation ionique. Une fine couche de matériau de ou près de la surface du cristal est endommagée pendant l'implantation, souvent étant rendue complètement amorphe. Le recuit par laser a été utilisé pour restaurer le réseau cristallin de cette couche implantée. Cependant, une densité d'énergie d'au moins 2 à 4 joules par cm2 environ est requise pour le silicium mono- cristal, parce que le procédé de cristallisation se déroule premièrement en fusionnant le silicium, et ensuite en recristallisant la couche adjacente au substrat mono-cristal sous-jacent. Aussi, l'aire d'une galette de circuit intégré typique est d'environ 25 cm2 ou plus grand. Comme la densité d'énergie maximum disponible, utilisant la présente technologie, à partir d'impulsions de laser uniques qui irradient la surface entière de la zone, est de moins de 2 joules par cm 2, une telle recuisson parlaser requiert certaines formés de balayage mécanique utilisant un rayon laser de puissance supérieure qui irradie une surface de zone plus petite0 Un procédé économique pour réduire la résistivité d'une couche de silicium polycristallin dopé à une valeur plus basse que celle obtenue précédemment parrecuit thermique est décrit dans la demande de brevet de C.P. Wu, série nO 963 818 déposée le 27 Novembre 1978 par la Société RCA CORPORATION. Ce procédé comprend l'étape d'irradiation de la couche avec des impulsions laser ayant une densité d'énergie de moins que 1,5 joules par cm2 environ. La principale limitation dans l'utilisation de silicium polycristallin dans les applications LSI et VLSI (intégration à très grande échelle) est sa valeur souhaitée plus haute que ?463307 la ré.istivité minimum. La technologie du courant peut amener finalement une résistivité de couche pour une couche de silicium polycristallin à une valeur comprise entre 10 et 30 ohms par unité de surface carrée. Cependant, les applications dans le circuit VLSI requièrent des coucpi..de silicium polycristallin avec une résistivité de couche aux alentours de à 6 ohms par unité de surface carrée La présente invention est une amélioration dans le procédé ci-dessus décrit comprenant une technique pour obtenir une couche de silicium polycristallin ayant une résistivité extrêmement faible. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et qui se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels - la figure 1 est une courbe illustrant les résultats de la résistivité de couche en fonction de la densité de puissance des impulsions de laser pour des échantillons de couche de silicium polycristallin irradiés par laser, dopés in situ avec respectivement du bore et du phosphore; - la figure 2 est une courbe schématique illustrant comment la résistivité de couche varie en fonction de la concentration de bore dans une couche de silicium polycristallin fortement dopée; et - la figure 3 est une courbe illustrant les résultats de la résistivité en fonction de la température d'une couche de silicium polycristallin recuite par laser et d'une couche de silicium polycristallin déposée, dopée de façon dégénérée in situ au bore. Suivant le nouveau procédé conforme à la présente invention, une couche de silicium polycristallin est dopée in situ avec du bore dans une concentration plus grande que 1 X 1020 atomes/cm3 en étant déposée sur un substrat. Il semble que la seule voie pratique pour arriver à finir à une telle haute concentration de bore est actuellement de doper in situ, ce quicontraste avec la technique de diffusion thermique. La couche de silicium polycristallin peut être déposée par une technique connue quelconque, tel qu'un procédé de déposition de vapeur chimique connu conventionnellement0 Dans ce procédé, une source gazeuse de silicium telle que le silane (SiH4), avec un gaz inerte de support, tel que l'azote, et un gaz dopantsont introduits dans une chambre de réaction. La température à l'intérieur de la chambre de réaction est telle que le silane se décompose provoquant le dépôt du silicium sur les substrats. Le dopant bore est introduit typiquement par l'addition de diborane (B2H6) dans les réactions gazeuses pendant le procédé de déposition. De préférence, la concentration de bore dans la couche de silicium polycristallin est d'environ 2 X io21 atomes/cm30 Dans le présent exemple, le substrat comprend une galette silicium-sur-saphire (SOS) ayant une couche de dioxyde de silicium déposée sur elle; la couche de silicium polycristallin est déposée sur la couche de dioxyde de silicium sur une épaisseur d'environ 0,6 micromètres. La couche de silicium polycristallin dopée au bore est irradiée avec des impulsions laser. Dans le présent mode de réalisation, un laser à rubis du type déclenché ou à impulsions ayant une longueur d'onde de 0,69 micro et une durée d'impulsion d'environ nanosecondes est utilisé. La durée de l'impulsion peut varier, mais est préférablement comprise entre environ 10 et environ 50 nanosecondes. Des échantillons de la couche dopée in situ au bore pour une concentration de 2 X 1021 atomes/cm3 ont été irradiés avec le laser à rubis à différentes densités de puissance s'étendant entre environ 7,5 mégawatt par cm2 et environ 80 mégawatt par cm2, ce qui est équivalent à une impulsion laser de 30 nanosecondes ayant une densité d'énergie comprise entre environ 0,23 et environ 2,4 joules par cm 2. En se référant au tableau I, il est montré les résultats des mesures de résistivité de couche prises sur les différents exemples irradiés utilisant des sondes à quatre points cDnventionneTIespour les mesures. De telles couches avec une épaisseur autour de 0,6 micron ont une résistance de couche typiquement entre 80 et 100 ohms par unité de surface carrés. Cependant, le tableau I montre que le recuit par impulsion laser à rubis de telles couches suivant le présent procédé peut réduire rigoureusement la résistivité de couche à 5-6 ohms par unité de surface carrée(J / Cr) ou 0,0003,% -cm, une valeur jamais atteinte précédemment dans les matériaux en silicium polycristallin. 2'463507 TABLEAU I. Echantillons dopés in situ au bore Densité d' énergie (Joules/cm2) 1,05 1, 20 1,35 1,50 1,80 2,10 2,40 Densité de (MW/cm2) puissance 7,5 e Résisivité de couche (_ (S P/) t1 19 ! 15 9,4 1 6,9 ,0 7,6 9,7 8,0 apparition de ! dommages. TABLEAU II. Echantillons dopés in situ au phosphore :Densité d'énergie (Joules/cm2) 0, 6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 Densité de (MW/cm2) puissance Résistivité de couche ?s (JQ/C) 22(piqures de surface) = Des échantillons similaires ont été préparés en dopant de façon dégénérée des couches de silicium polycristallin avec du phosphore in situ pendant l'étape de dépôt. Le tableau II montre le résultat des mesures de résistivité de couche prises sur de tels échantillons après l'irradiation avec un laser à rubis du type déclenché ou à impulsiors Les couches de silicium polycristallin ayant une faible résistivité de couche comparable aux couches dopées. avec du bore ont été impossibles à obtenir. La valeur la plus basse obtenue a été environ de 22 ohms par unité de surface carréeà une densité de-puissance de 70 méga- watt par cm2. Dans les deux échantillons dopés avec le bore et le phosphore, l'irradiation avec les impulsions de laser au-delà d'une certaine densité d'énergie provoqua le début d'apparition de dommages en surface, en particulier le piquage de la surface. En conséquence, les échantillons dopés au bore et au phosphore n'ont pas été recuits par laser au-dessus dtu'sdensité de puissance d'environ 80 et 70 mégawatt par cm2 respectivement. Une comparaison entre les échantillons dopés au bore avec les échantillons dopés au phosphore est illustrée graphiquement sur la figure 1. Les échantillons ont été aussi irradiés avec des impulsions de laser à rubis en prenant des couches de silicium polycristallin dopées avec une concentration maximum de dopants, utilisant les techniques conventionnelles de diffusion. Cependant, de telles techniques ont aussi donné des résultats de couche ayant des valeurs de résistivité de couche plus hautes que les valeurs de résistivité montrées ci-dessus pour des couches dopées in situ avec du bore. Il apparaît par conséquent que le recuit par impulsion laser de couche de silicium polycristallin dopée au bore in situ est une combinaison unique qui produit une résistivité de couche la plus basse possible dans des matériaux de silicium polycristallin. L'essence de la présente invention réside dans la découverte que l'irradiation laser peut presque terminer une activation électrique complète d'atomes de bore dans une couche de silicium polycristallin dopée de façon dégénérée in situ pour une concentration plus grande que 1 X 1020 atomes/cm3. En se référant à la figure 2, il est montré une courbe schématique 10 illustrant comment la résistivité de couche d'une telle couche varie en fonction de la concentration de bore (LBJ/[Si]) dans la couche de silicium. Pour des valeurs supérieures à environ 1 X 10 2atoes/cmla résistivité décroIt avec l'accroissement de la concentration de bore. Cependant, comme la couche devient dopée de façon dégénérée au-delà de ce niveau et supérieure au niveau du mode de réalisation préféré, par exemple environ 2 X 1021 atomes/cm3, la résistivité augmente réellement légèrement, comme cela est montré par la partie légèrement montante 12 de la courbe 10. Cette légère augmentation peut être expliquée par le fait que les atomes de bore additionnels ne deviennent pas activés électriquement, mais s'activent comme des centres de dispersion pour les porteurs. La présente étape d'irradiation par laser élimine cette augmentation de résistivité et achève réellement une couche de faible résistivité, comme cela est illustré par le trait pointillé 14, en obligeant beaucoup plus d'atomes de bore à devenir activés électriquement et en augmentant la mobilité des porteurs comme résultat de l'accroissement du grain. Cette activation électrique croissante ne peut pas être obtenue par un-conventionnel recuit thermique. En fait, l'étape de recuit à haute température ultérieure détruit réellement le bénéfices accomplis par la présente invention. Les observations ont montré qu'une couche de silicium polycristallin dopée de façon dégénérée avec du bore in situ pendant sa déposition, pour une concentration d'environ 2 X 1021 atomes/cm3, présente un coefficient de résistivité de température négative. Cependant après l'irradiation au laser, suivant le présent procédé, de telles couches présentent un coefficient de résistivité de température positive. En se référant à la figure 3, la résistivité en fonction de la température est relevée pour les couches de manière déposées avant l'irradiation laser et les couches recuites par laser. Afin de fabriquer une couche de silicium polycristallin ayant un coefficient de résistivitérelativement petit, ilest préférable de doper de façon dégénérée une couche de silicium polycristallin avec du bore in situ pour une concentration supérieure à 1 X 102 atomes/cm3. Seule1une première partie de cette couche dopée est irradiée par laser suivant la technique ci-dessus décrite. Cette première couche est ensuite connectée électriquement avec une seconde partie non irradiée de la couche d'une manière connue permettant aux deux parties, ayant des coefficients de résistivité de températures différentes, de se compenser mutuellement. Par exemple, les deux parties peuvent être simplement des portions adjacentes de la même couche connectées en série. Les deux parties de la résistance compensée peuvent aussi être connectées électriquement en parallèle, ou d'un type quelconque de combinaison série/parallèle connu en soi. La fabrication de résistancesutiliséesdans les applications VLSI pourrait être spécialement déclenchée par ce procédé puisque des couches de silicium polycristallinrelativement fines peuvent être affectées fortement par les variations de température. Une telle technique de fabrication pour le silicium polycristallin peut être utile dans d'autres applications, telles que des jauges de contraintes et des dispositifs piézo-électriques. Bien entendul'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de fabrication d'une couche de silicium polycristallin de basse résistivité incluant l'étape de déposer ladite couche sur un substrat, caractérisé par les étapes de dopage de ladite couche de silicium polycristallin au bore in situ pendant ladite étape de déposition, à une concentration supérieure à 1 X 1020 atomes/cm3, et ensuite d'irradiation de ladite couche avec une impulsion de laser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de dopage est effectuée de telle manière que la concentration de bore dans ladite couche de silicium polycristallin est d'environ de 2 X 10 21 atomes/cm3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impulsion de laser précitée a une densité de puissance comprise entre environ 7,5 mégawatt par cm2 et environ 80 mégawatt par cm20 4. Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que l'impulsion de laser est obtenue à partir d'un laser à rubis du type déclenché ou à impulsion ayant un temps d'impulsion égal sensiblement à nanosecondes. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat précité comprend une galette de silicium ayant une couche de dioxyde de silicium disposée dessus, la couche de silicium polycristallin précitée étant déposée sur la couche de dioxyde de silicium. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche de silicium polycristallin précitée a une épaisseur sensiblement égale à 0,6 micron.