Brevet FR2522339A1 — publié le 19830902

La présente invention se rapporte à un procédé pour la formation,par épitaxie, d'une couche monocristalline en un matériau tel que du silicium ou du germanium Plus parti- culièrement, elle se rapporte à un procédé de fabrication d'une couche monocristalline à travers une ouverture dans un masque qui est disposé sur un substrat cristallin approprié. Des structures o est incorporée une couche de silicium monocristallin recouvrant une couche formant masque peuvent éventuellement avoir un impact important dans l'industrie des semi-conducteurs Par exemple, la capacité de fabriquer du silicium monocristallin sur une couche formant masque en bioxyde de silicium isolant permet la fabrication d'un circuit intégré "tridimensionnel" ou des dispositifs dans une couche monocristalline donnée peuvent recouvrir, en étant cependant isolés, des dispositifs dans une couche en silicium sous-jacente. Un procédé de fabrication d'une couche en silicium monocristallin sur une couche non cristalline comme du bioxyde de silicium a déjà été révélé Dans cette technique de fabrication, un substrat semi-conducteur est formé, le substrat ayant une partie monocristalline à sa surface Une couche formant masque en un matériau tel que du bioxyde de silicium est formée sur la surface du substrat et une ouverture correspondant à une partie monocristalline du substrat est produite dans la couche formant masque Le silicium est alors déposé par épitaxie d'un mélange aqueux qui comprend une source de silicium gazeux, et un gaz porteur Le substrat est ensuite exposé à un mélange gazeux comprenant un gaz d'attaque et un gaz porteur de façon qu'une partie du silicium précédemment déposée soit attaquée. Le cycle de dépôt et d'attaque est alors répété un nombre approprié de fond afin d'obtenir une couche en silicium monocristallin d'une dimension prédéterminée sur la couche formant masque. Comme cela est révélé ici, on a maintenant découvert que la qualité d'une pellicule monocristalline déposée dépendait fortement de la configuration et de l'orientation de l'ouverture dans la couche formant masque. Une couche monocristalline est formée sur une couche formant masque à ouverture qui est disposée sur un substrat L'ouverture dans le masque est disposée sur une partie monocristalline du substrat, et la couche monocris- talline se développe à partir d'une partie du substrat dans l'ouverture La configuration et l'orientation de l'ouverture dans le masque doivent être telles que cela forme un bord sensiblement parallèle à une direction cristallographique particulière dans la couche monocristalline. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui-va suivre faite en référence aux dessins sché- matiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple, illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels: la figure 1 représente une vue d'une surface majeure d'une pastille circulaire conventionnelle de semi- conducteur o est disposé un masque à ouverture selon l'invention; et les figures 2 à 4 sont des vues en coupe de la pastille de la figure 1 illustrant de plus la séquence du procédé selon l'invention. Dans l'industrie des semi-conducteurs, un matériau monocristallin tel que du silicium est couramment tiré sous la forme d'une boule cylindrique La boule est alors coupée transversalement à son axe cylindrique afin de donner un certain nombre de pastilles monocristallines en forme de disque Selon l'orientation cristallographique de la boule, les pastilles qui en sont coupées auront des surfaces majeures planes correspondant à un plan cristallographique particulier. La figure 1 montre une pastille monocristalline fabriquée de façon conventionnelle 10, qui dans le mode de réalisation préféré est en silicium L'illustration est tracée de façon que la surface majeure 12 soit coplanaire avec la feuille de papier et représente la famille tj 003 de plans,la famillel 100, de plan incorporant les plans ( 100), ( 010) et ( 001) Ci-après, la surface 12 de la pastille 10 sera appelée le plan ( 100) bien que l'on reconnaisseque la surface 12 puisse également représenter chacun des plans de la famille É 1001. Le silicium, matériau très couramment utilisé pour une pastille de semiconducteur, a une structure cristalline en diamant qui est formée par deux cubes centrés à faces imbriquées Pour de nombreuses application ob un silicium monocristallin est utilisé comme substrat pour un plus ample traitement, l'orientation préférée consiste à avoir le plan ( 100) à la surface majeure 12 de la pastille 10, comme le montre la figure 1 I 1 est souhaitable d'avoir le plan ( 100) à la surface majeure 12 dans de 4 applications o le bioxyde de silicium doit être formé sur la surface 12, telle qu'elle est, par exemple, dans des transistors à effet de champmétal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET) et dans des circuits incorporant des MOSFET Apparemment,l'interface silicium/bioxyde de silicium produite le long d'un plan cristallographique ( 100) produit des états de plus faible densité de surface et piège moins de porteurs que ne le fait l'interface silicium/bioxyde de silicium produites d'autres plahs cristallographiques du silicium. Comme cela est de plus illustré sur la figure 1, un plat chanfreiné 14 est typiquement prévu le long d'une partie du périmètre de la pastille autrement circulaire Le plat 14,indique l'orientation cristallographique et lorsqu'ilest placé sur un plan ( 100) il peut, par exemple, correspondre à la direction l 011 l De nouveau, la direction ú 0111 est indiquée 'pour la facilité Toute famille de directions se trouvant sur le plan ( 100) c'est-à- dire lOlll, l 011 l, et l O I) sera équivalente Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, le plat 14 correspond à la direction l 01 ol Il faut noter que la direction l 0111 est orientée à 450 de la direction l 001 l et à 90 de la direction l 010 l et que les deux directions ( 001) et l 010 l se trouvent sur le plan ( 100). Selon la présente invention, une couche 16 formant masque ayant une seule ouverture 18 ou un certain nombre d'ouvertures 18 est disposée à la surface 12 de la pastille Dans le mode de réalisation préféré,la couche 16 formant masque est en bioxyde de silicium; cependant, on peut également utiliser une grande variété d'autres matériaux comme -du nitrure de silicium, du saphir, des spinelles ou du grenat Les ouvertures 18 doivent comprendre chacune un bord sensiblement droit 19 parallèle à l'une des directions à la surface 12 de la pastille 10 Ci-après, cela sera appelé la direction l 010 f Dans le mode de réalisation préféré, deux bords droits et parallèles 19 forment la caractéristique dominante de chaque ouverture 18, pour donner une caractéristique en forme de raie qui se termine aux bords de la pastille 10. Dans la mise en pratique de la présente invention, il n'est pas essentiel que chaque ouverture soit en forme de raie ou que chaque ouverture s'étende à travers toute la, surface de la pastille Cependant, comme on l'élaborera ci- après, la qualité cristalline générale d'une couche mono- cristalline tirée subséquemment par épitaxie sera meilleure lorsque les ouvertures seront en forme de raie et se. termineront aux bords de la pastille Cela est d O au fait que l'on a trouvé que les défauts cristallins dans une couche subséquemment formée par épitaxie étaient typiquement produits aux coins des ouvertures, o la direction de croissance change Quand les ouvertures doivent être contenues dans les limites de la pastille, la forme optimale de l'ouverture est rectangulaire, avec un rapport d'aspect de la longueur à la largeur aussi élevé que d'autres contraintes de conception et de traitement le permettent. Dans le mode -de réalisation illustré, quatre ouvertures 18 sont illustrées; cependant, il peut n'y avoir qu'une seule ouverture ou plus de quatre ouvertures Bien qu'il n'y ait pas de condition concernant le nombre d'ouvertures ou l'espace entre elles, il est important que les bords des ouvertures soient parallèles les uns aux autres et au plan f 01 o La figure 2 montre une vue en coupe à travers un diamètre de la pastille 10 qui est transversal aux ouvertures 18 La couche 16 formant masque peut avoir une épaisseur comprise entre environ 0,1 p et plusieurs p, et les ouvertures 18 traversent l'épaisseur de la couche 16 formant masque afin d'exposer les sites de nucléation 20 à la surface 12 de la pastille 10. O 10 On reconnaîtra à ce point que bien que la pastille 10 a été décrite jusqu'à maintenant en termes d'un substrat monocristallin uniforme, il est seulement nécessaire que le substrat soit monocristallin et ait l'orientationindiquée dans les zones de nucléation 20 Par exemple, la pastille 10 peut comprendre un matériau amorphe ou polycristallin, tant que les sites de nucléation exposés par les ouvertures 18 sont monocristallins et de structure du type ( 100). Comme le montre la figure 3, le silicium est ensuite déposé par épitaxie de façon qu'un îlot monocristallin 22 croisse à partir de chaque site de nucléation 20, à travers chaque ouverture 18 et au-dessus du masque 16 Afin de garantir que chaqueilot 22 sera un monocristal, un cycle de dépôt/attaque, tel que celui précédemment révélé, peut être utilisé Quand les bords 19 de l'ouverture sont orientés dans la direction o 01 l comme on l'a révélé ici, chaque îlot 22 croît latéralement, à travers la surface du masque 16, dans une direction l 001 o La croissance dans cette direction perpendiculaire aux bords 19 de chaque ouverture 18,produit une structurede cristal de relativement bonne qualité en comparaison à la croissance dans d'autres directions cristal- lographiques. Nous pensons, en théorie, que la structure cristalline de plus haute qualité se présente lors d'une croissance en directionl 001 l parce que la direction LO Ol\ est la plus éloignée de la direction O l 11 de la structure cristalline cubique en diamant La direction l 0113 se trouve sur le plan ( 111) et le plan ( 111) est un élément de la famille des plans de glissement dans une structure cubique en diamant. Si la croissance cristalline se passe dans la direction lf Oll, tous les défauts produits peuvent facilement entrer dans le plan ( 111) puis se propager facilement à travers toute la structure cristalline Comme la direction l 001 J est la plus éloignée de la direction Colil, la croissance dans la direction L O Oll diminue la mobilité de la propagation de défauts. Comme le montre la figure 4, si l'on continue le processus de dépôt par épitaxie, les flots 22 se confondent éventuellement pour former une couche en silicium monocris- tallin sensiblement uniforme 24 recouvrant le masque 16. Cette couche en silicium monocristallin 24 peut être utilisée comme substrat pour le traitement du dispositif à peu près de la même façon qu'une pastille de semi-conducteur en masse peut être utilisée De plus, un masque peut être produit sur la surface 26 de la couche 24 et la séquence de traitement décrit ici peut être répétée Alternativement, la couche monocristalline 24 peut être sélectivement attaquée afin de donner un motif en forme ou un certain nombre d'tlots en silicium soit isolésdu substrat sous-jacent par une couche formant masque 16 ou contactant le substrat par les ouvertures 18. Il faut noter que l'on a observé que les défauts cristallins se produisaient le long de l'interface o des Ilots voisins 22 se confondent éventuellement Ils sont indiqués sur la figure 4 par les défauts en ligne 28 et les vides 30 Cependant, l'effet néfaste de ce défauts sur la cristallinité de la couche 24 est diminué si la géométrie des ouvertures 18 est de la configuration décrite en raie ou en rectangle de rapport d'aspect élevé. Il faut également noter que bien que dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les surfaces majeures de la pastille cubique en diamant en silicium sont dans le plan ( 100) il y a également des directions de croissance cristallographique préférées lorsque la surface majeure de la pastille 12 est coplanaire avec la famille de plans illl) On a trouvé que lorsque la surface majeure 12 est coplanaire avec le plan ( 111) par exemple, les ouvertures 12 doivent être orientées de façon que leurs bords longs 19 soient orientés le long de la famille de directions . Par ailleurs, on reconnaîtra que bien que la présente invention ait été décrite en termes d'une croissance cristalline de silicium à partir d'une pastille de silicium, l'invention n'est pas limitée ni au silicium, ni à la croissance homoépitaxiéeni à des matériaux cubiques en diamant Le concept révélé ici s'applique à d'autres matériaux cubiques en diamant comme du germanium et à la croissance hétéroépitaxée d'un matériau cristallin cubique en diamant ou d'un matériau cristallin cubique en diamant dissemblable comme du germanium ou du silicium L'invention s'applique également à des matériaux cubiques centrés de face (FCC) car un cristal FFC a une direction de croissance préférée semblable l 001 E ou r Oî 10 sur un plan ( 100). L'invention permet ainsi également la fabrication d'une couche FFC épitaxie de relativement bonne qualité à partir d'un site de nucléation cubique en diamant et inversement. De plus, on peut s'attendre à ce que laprésente invention puisse être utilisée pour la croissance épitaxiéed'une couche cubique en diamant ou FFC de qualité cristalline relativement élevée sur un substrat d'une structure d'un bloc hexagonal fermé (HCP) comme du saphir (monocristal A 1203) Cependant, cela nécessite une détermination initiale de l'orientation cristallographique du site de nucléation qui correspond à la direction de croissance préférée 4 O Ol> dans la couche épitaxiée. REVEND I CATI ONS 1 Procédé de formation d'une couche monocristalline sur un masque, du type comprenant les étapes de: former un substrat ayant une partie monocristalline,à une surface, d'une orientation cristallographique prédé- terminée, former un masque sur le substrat, le masque ayant une ouverture qui est disposée au-dessus de la partie monocristalline; déposer, par épitaxie, un matériau cristallin de façon que le matériau forme une couche monocristalline sur la partie monocristalline et croisse dans une direction cristallographique prédéterminée sur le masque, ladite direction cristallographique prédéterminée étant perpendi- culaire aux bords de ladite ouverture;caractérisé en ce que ladite ouverture ( 18) est configurée de façon que sensiblement tous les bords ( 19) de ladite ouverture soient parallèles à une direction cristallographique prédéterminée sur la partie monocristalline ( 12). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie monocristalline est un plan cubique t 100 l d'une structure cristalline en diamant et les bords de ladite ouverture sont parallèles à une direction que le substrat est en silicium. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le masque est en bioxyde de silicium. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture est sensiblement en forme de raie. 6 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture est rectangulaire. 7 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau cristallin comprend du silicium. 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie monocristalline est un plan cubique centré de face t 1003 et les bords de l'ouverture sont parallèles à une direction 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 8, caractérisé en ce que le matériau cristallin comprend un matériau cubique en diamant. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 8, caractérisé en ce que le matériau cristallin comprend un matériau cubique centré de face. 11 Procédé de formation d'un matériau mônocristallin sur une couche formant masque à ouverture disposée sur un substrat o une ouverture dans le masque est disposée sur une partie monocristalline '100 à la surface du substrat et le matériau monocristallin s'étend de la surface du substrat et recouvre le masque; caractérisé en ce que l'ouverture dans le masque est produite de façon que sensiblement tous les bords de ladite ouverture soient parallèles à une direction cristallographique prédéterminée dans le matériau monocristallin formé parallèle à la surface dudit substrat. 12 Procédé de formation d'un matériau monocristallin sur une couche formant masque à ouverture disposée sur un substrat o une ouverture dans le masque est disposéesur une partie monocristalline & 1 l 3 à la surface du substrat et le maté- riau monocristallin s'étend de la-surface du substrat et recouvre le masque caractérisé en ce que: l'ouverture dans le masque est produite de façon que sensiblement tous les bords de ladite ouverture soient parallèles à une direction cristallographique prédéterminée dans le matériau monocristallin formé parallèle à la surface dudit substrat. 13 Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que l'ouverture dans le masque est en forme de raie.