Brevet FR2504729A1 — publié le 19821029

PROCEDE DE DEPOT DE SILICIEDI POLYCRISTALLIN EN PRESENCE DE PHOSPHINE DILUEE DANS L'ARGON. La présente invention concerne les procédes de fabrication de circuits intégrés utilisant du silicium polycristallin pour constituer par exemple des interconnexions ou des grilles de transistors à effet de champ, etc. Dans certains cas on cherche à obtenir des couches de silicium polycristallin de faible résistivité dopé avec une impureté d'un type de conductivité choisi. La présente invention s'intéresse aux procédés de dépit de silicium polycristallin dopé in Situ par des atomes de phosphore, c'est-à-dire dopé en même temps qu'il est déposé au lieu qu'une opération de dopage suive l'opération de dépôt. Il est connu d'utiliser, comme source de dopage in situez de la phosphine (PH3) qui, mélangée à un courant gazeux de silane (Si114), nécessite seulement une température d'environ 60000 pour former un déport de silicium polycristallin dopé au phosphore. Il s'agit d'un dépit par réaction chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD, pour Low Pressure Chemical Vapor Deposition). La présente invention a pour objet d'améliorer les conditions de ce dépôt, en vue d'obtenir, d'une part, une faible résistivité du silicium polycristallin (pour une épaisseur donnée), et, d'autre part, une bonne homogénéité dans l'épaisseur du dépit et dans la valeur du dopage, aussi bien sur une même plaque de semiconducteur que sur des plaques différentes placées en ligne dans le four et avec une bonne répétitivité dans le temps. Le dépôt à partir de silane et de phosphine se fait avec un gaz porteur neutre, pour régler la basse pression constante qui doit régner dans le four balayé par un débit constant bien déterminé de silane et de phosphine. Le choix du gaz porteur est limité puisqu'il doit être aussi neutre que possible, physiquement et chimiquement. Le plus couramment utilisé est l'azote (peu cher et bien 'neutre) ; on pourrait penser aussi à lthydrogene (mais c'est un gaz dangereux qui s'ajoute à d'autres gaz dangereux, silane et phosphine, et qui nécessite donc une multiplication des précautions de travail) ; on peut penser aussi à l'argon mais, outre qu'il est plus cher que l'azote, son inconvénient majeur est qu'il n'est pas complètement neutre physiquement car on s'aperçoit qu'il réduit considérablement la vitesse de dépôt du silicium jusqu'# rendre le procédé tout à fait inutilisable industriellement. Pourtant, on s'est aperçu que le dépôt qui résultait de la réaction plus lente en présence d'argon comme gaz porteur était plus homogene que ceux obtenus autrement et qu'il pouvait présenter une plus faible résistivité. Selon la présente invention, on propose un procédé de dépôt de silicium polycristallin dopé au phosphore in site , par réaction chimique en phase vapeur à faible pression, destiné å fournir des couches minces de l'ordre de 5000 angströms de résistance inférieure à 35 Ohms par carré de façon répétitive avec une bonne homogénéité, ce dépôt consistant à introduire dans un four de réaction régulé en température et en pression, outre de l'azote en tant que gaz neutre de régulation de pression, du silane et de la phosphine (pu3) diluée dans de l'argon dans une proportion de 1 à 4 pour cent en poids de phosphine pour cent d'argon, les flux incidents de silane, azote et mélange phosphineargon étant de même ordre de grandeur. Ainsi, on utilise toujours de l'azote comme gaz neutre de régulation de pression que l'on introduit en quantité variable pour effectuer cette régulation ; mais, le gaz de réaction qui sert au dopage du silicium et qui, lui, est introduit avec un débit bien défini, n'est plus de la phosphine pure mais de la phosphine diluée dans de l'argon. L'argon ne sert pas ici de gaz de régulation car il est introduit à débit constant sous forme de mélange argon-phosphine. Il a une action positive au niveau moléculaire sur le dépôt du silicium et du phosphore. L'expérience montre qu'avec une vitesse de déport bien suffisante, on obtient une très nette amélioration de l'homogé- néité des dépôts en épaisseur et en dopage sur chaque plaque et d'une plaque à l'autre, ainsi qu'une diminution de la résistivité (à même épaisseur), par rapport è un dépôt classique avec azote et phosphine pure. La porportion préférentielle de phosphine est de 2 pour cent en poids de phosphine pour 100 d'argon. Le silane est introduit dans un four tubulaire contenant une nacelle portant une série de plaques semiconductrices sur lesquelles on veut déposer une couche de silicium polycristallin dopé. Le mélange argon-phosphine est introduit également, en même temps que le silane, dans le four. Les débits de silane et du mélange argon-phosphine sont précisément contrôlés. Le débit de silane est de préférence d'environ 50 centimètres cubes par minute et celui du mélange argonphosphine est de préférence entre 25 et 40 centimères cubes par minute (le meilleur résultat semblant se situer aux alentours de 30 à 35 centimètres cubes par minute, ce qui correspond sensiblement à 0,09 centimètres cubes par minute de phosphine pure pour une dilution de 2 pour cent). Un flux gazeux d'azote de régulation de pression est également introduit dans le four. Son débit est d'environ 35 centimètres cubes par minute ; le four est asservi en pression grâce à l'azote, de manière è obtenir une basse pression d'environ 500 millitorrs, de préférence 460 millitorrs. La température est aussi régulée ; il faut qu'elle soit aussi uniforme que possible le long du tube pour que le dépôt se fasse uniformément sur toutes les plaquettes de semiconducteur contenues dans le four. La température moyenne préférentielle est de 600 à 630 C, de préférence 625 C, avec un écart maximum d'envi- ron 250C entre les extrémités du four. Ces conditions de fonctionnement permettent d'obtenir des dé pots de silicium dopé très homogènes (homogénéité sur plaque et entre plaques d'une nacelle placée au milieu du four : meilleure que 3 t), avec une vitesse de dépôt de 20 à 60 angströms par minute ; cette vitesse de dépôt varie beaucoup avec la quantité de phosphine injectée, et elle est d'autant plus faible que la quantité de phosphine est plus grande. L'opération de dépôt propreieot dite est suivie d'un recuit, c'est-à-dire d'un traitement thermique à température plus élevée, pour réorganiser la structure polycristalline du silicium déposé. Ce recuit aboutit notamment à une augmentation de la taille des grains cristallins de silicium, donc à une diminution de la résistivité. Ce recuit se fait de préférence vers 9500C peu- dant 30 minutes sous flux d'azote seul. La résistivité du silicium po#ycristallin que l'on peut ains obtenir est de l'ordre de 30 ohms par carré pour une épaisseur de 5500 angströms environ. il est important de noter que le recuit a permis de diviser la résistivité par un facteur de 8 environ. L'homogénéité de résistivité sur plaquette est bonne, mais les plaquettes les plus en avant (c'est-à-dire les plus vite atteintes par le flux gazeux) sont plus dopées, donc plus con- ductrices que les autres. Les mesures et observations effectuées font apparaître que la taille des grains de silicium est d'autant plus élevée que le débit de phosphine est élevé ; l'homogénéité est aussi plus grande, mais la vitesse de dépôt est alors plus faible. En utilisant des nacelles de support de plaquettes qui présentent une structure apportant aussi peu de perturbations que possible à la symétrie de l'écoulement gazeux de silane, phosphine diluée, et azote, on peut traiter simultanément un grand nombre de plaques (environ 80) avec une bonne homogenéité de dépôt et de résistivité. Il est de plus souhaitable que les plaquettes de sili ciun soient accolées dos à dos pour recevoir du silicium polycristallin chacune sur une seule face : l'uniformité de dépôt plaque à plaque en épaisseur et en dopage en sera notablement améliorée (mieux que 3 t) pour un même nombre de plaquettes (80 à 100 par opération). EEDICTIONS. 1. Procédé de dépôt de silicium polycristallin dopé au phosphore par réaction chimique en phase vapeur à faible pression, en vue de fournir une couche mince (5000 angströms environ) de silicium de résistance inférieure à 35 ohms par carré de façon homogène et répétitive, ce procédé consistant à introduire dans un four de réaction à température et pression constantes asservies, du silane (six4), de la phosphine (PH3), et de l'azote (N2) en tant que régulateur de pression, caractérisé par le fait que la phosphine est diluée dans de l'argon dans une proportion pondérale de 1 à 4 de phosphine pour 100 d'argon, les flux incidents de silane, d'azote et du mélange argon-phosphine étant du même ordre de grandeur. 2. Procédé selon la revendication l, caractérisé par le fait que la proportion de phosphine dans l'argon est d'environ 2 pour cent. 3. Procédé selon 11 une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la température moyenne du four est de 600 à 6300 C, de préférence 6200C. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la pression dans le four est asservie à une valeur d'environ 0,5 torr, de préférence 0,46 torr. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le débit de silane est d'environ 50 centimètres cubes par minute, celui d'argon mélangé à la phosphine d'environ 25 à 35 centinètres cubes par minute, et celui d'azote d'environ 35 centimètres cubes par minute. 6. Procédé selon l'une des revendications l à 5, caractérisé par le fait que le dépôt est suivi d'un recuit thermique vers 9500C pendant 30 minutes environ. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les plaquettes introduites dans le four sont accolées dos à dos, une face seulement recevant un dépôt de silicium polycristallin dopé avec une bonne homogénéité.