Brevet FR2516097A1 — publié le 19830513

L'invention concerne d'une manière générale un procédé de déposition de silicium par plasma, et plus par- ticulièrement un procédé de déposition de silicium par plasma, sous haute température, dans lequel la déposition thermique est supprimée dans une large mesure. Dans le passé, la déposition de silicium par plasma était réalisée à des températures élevées afin de maîtriser les caractéristiques de la couche déposée. L'état de la technique du traitement par plasma est décrit dans "Solid State Technology", avril 1978, pages 89-126. Des procédés et des détails particuliers d'un appareil de déposition par plasma sont décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 4 223 048 Lorsqu'une déposition par plasma est effectuée à une température ambiante éle- vée, il existe cependant une tendance à la décomposition thermique du gaz constituant la source de silicium, de sorte que la déposition a lieu non seulement sur les pièces, mais également sur les parties chauffées de l'appa- reil de déposition Une autre caractéristique indésirable de la décomposition thermique est que le manque d'homogé- néité thermique engendre une déposition non uniforme. Des exigences récentes dans la fabrication de tranches semi-conductrices ont porté sur une épaisseur très précise et un contrôle de composition très précis sur de nombreuses pièces au cours d'un cycle unique de déposition Ainsi, malgré les développements antérieurs, il subsiste la nécessité de disposer d'un procédé per- fectionné de commande de la déposition de silicium et de polysilicium En outre, pour la déposition par plasma de couches conductrices, il subsiste la nécessité de dispo- ser d'un procédé de déposition dans lequel toute déposi- tion thermique est empêchée sur les parties isolantes nécessaires de l'appareil de déposition. L'invention a donc pour objet général un pro- cédé de déposition par plasma capable d'atteindre une meilleure uniformité de déposition L'invention a pour autre objet un procédé de déposition de silicium épitaxial et polycristallin à des températures comprises entre 600 et 1200 'C L'invention a pour autre objet la déposition uniforme, par plasma, de couches de silicium polycristallin à des températures supérieures à celles actuellement utilisées dans la technique L'invention a pour autre objet un procédé de déposition par plasma de silicium, permettant l'utilisation du même appareil de déposition pour à la fois la déposition de polysilicium et la déposition de couches épitaxiales de silicium. L'invention a également pour objet un procédé dans lequel du silicium épitaxial monocristallin peut être déposé à une température plus faible et avec une plus grande uni- formité L'invention a pour autre objet un procédé permet- tant de supprimer la décomposition thermique de couches conductrices pour éviter ainsi la formation de courts- circuits entre les électrodes adjacentes qui maintiennent le plasma. Conformément à une forme de l'invention, il est prévu un procédé de déposition de vapeur de silicium par plasma à température élevée, consistant à introduire un milieu gazeux halogéné dans ladite vapeur pour accroître la vitesse de déposition de vapeur induite par le plasma par rapport à la déposition de vapeur induite thermique- ment. Selon une autre forme de l'invention, il est prévu un procédé de déposition de vapeur de silicium polycristallin par plasma à température élevée, consis- tant à introduire un milieu gazeux chloré dans ladite vapeur pour accroitre la vitesse de déposition de vapeur induite par le plasma par rapport à la déposition de vapeur induite thermiquement. Selon une autre forme de l'invention, il est prévu un procédé de déposition de silicium épitaxial monocristallin par plasma à température élevée, consis- tant à introduire un milieu gazeux halogéné dans ladite vapeur pour accroître la vitesse de déposition de vapeur induite par plasma par rapport à la déposition de vapeur induite thermiquement. Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention, indiqués cidessus et autres, ressortiront de la description plus détaillée qui suit de formes pré- férées de réalisation de l'invention. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 223 048 décrit un appareil et un procédé convenant à la déposition et à la gravure de polysilicium et de couches isolantes, par exemple, dans un plasma Par exemple, pour déposer- par plasma du polysilicium, du Si H 4 est introduit dans un appareil à vide chauffé, contenant des pièces placées entre des électrodes configurées pour entretenir entre elles un plasma uniforme En général, une telle déposition a lieu à une température égale ou inférieure à environ 600 'C car, lorsque la température est élevée davantage, il devient de plus en plus difficile de maintenir une épais- seur de couches déposées homogène, du fait que la déposi- tion induite par la décaiposition thermique du gaz constitu- ant la source de silicium devient importante par rapport à la vitesse de déposition par plasma En raison de la dif- ficulté à obtenir des températures ambiantes extrêmement bien régulées sur un grand nombre de pièces, l'épaisseur de la couche peut varier d'un substrat à l'autre et même sur un même substrat De plus, lorsque la température est élevée, une déposition plus importante se produit sur les parois de l'enceinte à vide et sur la structure des électrodes, entraînant des problèmes de nettoyage et souvent la présence de débris sur les pièces Dans le cas de la déposition de couches conductrices, un court-circuit peut se produire entre des plaques adjacentes du réacteur. Cependant, il est souvent souhaité d'accroître la température de déposition de la couche pour maîtriser d'autres propriétés souhaitables de la couche, par exem- ple la dimension du grain et le dopage, entre autre. Par exemple, un accroissement de la température permet la déposition de silicium monocristallin. Selon l'invention, un composant gazeux halogéné est introduit dans le courant gazeux pour supprimer la déposition thermique par rapport à la déposition par plasma De telles compositions gazeuses halogénées peu- vent comprendre, à titre non limitatif, des gaz formant une source de silicium et contenant -des chlorures tels que Si H 2 Cl 2, Si H C 13, ou Si Cl En variante, de l'acide chlorydrique peut être ajouté à un gaz non chloré formant la source de silicium telle que Si H 4 pour accroître l'éner- gie demandée pour obtenir une déposition thermique Une telle injection indépendante d'espèces de silicium et d'espèces d'halogène permet d'élargir la gamme des réac- tions pouvant être contrôlées Par ce procédé d'incorpo- rer les espèces halogénées dans un courant gazeux de charge, il est apparu possible de porter l'appareil bien au-dessus de 6000 C, sans pratiquement de déposition en l'absence du plasma Ainsi, les problèmes transitoires associés au déclenchement et à l'arrêt du courant du gaz de source peuvent être éliminés par l'application du plasma par radiofréquence uniquement pendant que l'écoulement du gaz de source est stabilisé. Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre dans un appareil tel que celui décrit dans le brevet n O 4 223 048 précité A titre d'exemple d'une forme pré- férée de réalisation de l'invention, on peut décrire la formation d'une couche de polysilicium dopé dans un appa- reil de ce type 70 tranches de silicium de 100 mm (revêtues de 100 nm de Sio 2) sont chargées dans la nacelle et introduites dans les tubes Après un temps de stabili- sation de température de 35 minutes à 6200 C et une purge et l'établissement d'un vide appropriés à la pression de base, des gaz réactionnels sont introduits On introduit 300 cm 3 de Si H 2 Cl 2, 100 cm 3 d'argon contenant 1 % de PH 3 et 800 cm 3 d'argon sous une pression du tube de réaction de 266 Pa Le générateur radiofréquence est mis en marche sous une puissance d'environ 110 watts pour provoquer une déposition à une vitesse d'environ 27 nm par minute. Après un temps de déposition de 14 minutes, l'épaisseur 251609 ? moyenne de silicium polycristallin dopé est de 380 nm avec une variation de moins de 5 % Par l'utilisation du nouveau dispositif d'entretoisement isolant d'électro- des décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 320 453, déposée le 12 novembre 1981 sous le titre "Spacer for Preventing Shorting Between Conduc- tive Plates in RF Plasma Deposition Systems" au nom de Richard S Rosler, au moins vingt passes de déposition peuvent être effectuées avant qu'il devienne nécessaire de démonter l'appareil pour retirer les dépôts entre élec- trodes Le dope au phosphore de la couche de polysilicium est activé avec un cycle de température de 10000 C pendant minutes Quatre mesures ponctuelles réalisées sur la couche au moyen de sondes donnent une gamme de 14 à 16 ohms par carré sur la charge des tranches. Au-dessus d'environ 7000 C, Si H 2 Cl 2 se décompose partiellement en une poudre brune Par conséquent, pour atteindre les températures plus élevées nécessaires à la déposition de silicium monocristallin, il est préférable d'utiliser Si HC 13 ou Si H 4 + H Cl comme milieu gazeux halogéné. De cette manière, le procédé de l'invention permet la dépo- sition uniforme de silicium épitaxial monocristallin à des températures très inférieures (par exemple 9000 C) à celles utilisées dans les procédés actuels (par exemple 11000 C), avec seulement des taux de croissance modérément réduits, de manière qu'il soit possible d'obtenir des interfaces très nettes entre les couches conductrices adjacentes. De plus, la capacité d'une seule passe du réacteur épi- taxial est notablement améliorée par rapport aux appareils antérieurs Comme indiqué précédemment, un grand nombre de passes est possible sans élimination par nettoyage de la matière conductrice recouvrant le dispositif d'entretoi- sement isolant des électrodes. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, on peut utiliser du tétrachlorure de silicium en variante du milieu gazeux halogéné En outre, lors de la réalisation d'une déposi- tion épitaxiale ou monocristalline, un gaz inerte tel que de l'argon ou de l'hélium peut de préférence être utilisé, ou bien un diluant gazeux tel que de l'hydrogène peut être utilisé comme gaz de support. 16097 REVENDICATIONS 1 Procédé de déposition de vapeur par plasma pour former une couche comprenant du silicium à tempéra- ture élevée, caractérisé par l'introduction d'un milieu gazeux halogéné dans ladite vapeur pour accroître la vitesse de déposition de vapeur induite par plasma par rapport à la déposition de vapeur induite thermiquement. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par l'introduction d'un milieu gazeux chloré dans ladite vapeur pour accroître la vitesse de déposition de vapeur induite par plasma par rapport à la déposition de vapeur induite thermiquement. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite température élevée est comprise entre environ 6000 C et environ 1200 'C. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite couche est conductrice. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la couche déposée est en silicium polycristallin. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche déposée est en silicium épitaxial monocristallin. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 6, caractérisé en ce que le silicium déposé est dopé pour que ses caractéristiques électriques soient modifiées. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 6, caractérisé en ce que le milieu gazeux comprend du Si H 2 Cl 2- 9 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le milieu gazeux comprend du Si H C 13, ou bien du Si H 4 et du H Cl, ou encore du tétrachlorure de silicium.