Brevet FR2522695A1 — publié le 19830909

Z 522695 La présente inventions psorte à un procéd pour la formation, par épitaxie, d'une couche de silicium monocristallin Plus particulièrement, elle se rapporte à un procédé de fabrication de silicium monocristallin sur une couche formant masque à ouverturesqui est disposée sur un substrat monocristallin. Dans le domaine du traitement des dispositifs semiconducteurs, du silicium déposé par épitaxie est couramment utilisé dans une grande variété d'applications. A la base, ce dépôt comprend la précipitation de silicium d'une source gazeuse sur un réseau cristallin, de façon que le silicium déposé forme une structure qui continue le réseau cristallin Les sources de gaz de silicium que l'on utilise conventionnellement comprennent le silane (Si H 4), le tétrachlorure de silicium (Si C 14), le trichloro- silane (Si H C 13) et le dichlorosilane (Si H 2 C 12), et les détails d'un traitement typique sont décrits dans ADVANCES IN DICHLOROSILANE EPITAXIAL TECHNOLOGY, de D J De Long, Solid State Technology, Octobre 1972, pages 29-34, 41, et dans le brevet U S N 3 945 864, "METHOD OF GROWING THICK EPITAXIAL LAYERS OF SILICON"; de N Goldsmith et autres, du 23 Mars 1976 La qualité et le taux de dépôt du silicium sont une fonction importante de paramètres tels que la température de dépôt et la composition spécifique du gaz, comme cela est élaboré dans un brevet U S N 3 239 372 intitulé "METHOD OF PRODUCING SINGLE CRYSTALLINE SILICON", de E Sirtl, du 8 Mars 1966 ainsi que dans les références précédemment citées Des pellicules épitaxiées de silicium ont été tirées sélectivement dans les ouvertures d'un masque de bioxyde de silicium (Si 02) à la surface d'un substrat en silicium monocristallin Un exemple d'un tel procédé est décrit dans SELECTIVE EPITAXIAL DEPOSITION OF SILICON de B D Joyce et autres, Nature, volume 195, pages 485- 486, du 4 Août 1962 Le dépôt épitaxié sélectif a également été utilisé pour former une grille d'îlots de silicium monocristallin o la grille est spécifiée par un espace particulier d'un centre à l'autre dans un agencement d'ouvertures d'une couche de bioxyde de silicium, et o chaque îlot de silicium dépasse le bioxyde de silicium entourant chaque ouverture sur une distance spécifique. Un exemple d'une telle structure avec dépassement ainsi que de son procédé de fabrication est décrit dans la série "EPICON": A NEW SEMICONDUCTOR ARRAY-TYPE CAMERA TUBE STRUCTURE, de W E Engeler et autres, Applied Physics Letters, volume 16, N 5, 1 er Mars 1970; THE EPICON CAMERA TUBE; AN EPITAXIAL DIODE ARRAY VIDICON, de S M Blumenfeld et autres, IEEE Transactions, volume ED 18, N 11, Novembre 1971; et dans le brevet U S N 3 746 908, "SOLID STATE LIGHT SENSITIVE STORAGE ARRAY", de W E. Engeler, du 17 Juillet 1973. Comme cela est suggéré par les références citées, le procédé consistant à déposer, par épitaxie, du silicium monocristallin, est bien établi dans l'industrie des semiconducteurs Par exemple, l'effet de la température de réaction, de la composition du gaz de dépôt et du taux d'écoulement gazeux sur la qualité et le taux ou l'allure du dépôt est bien caractérisé On sait bien que tandis que le silicium monocristallin germinera sur un substrat monocristallin, une couche monocristalline ne germinera pas sur une surface polycristalline ou amorphe Typiquement, quand une surface non monocristalline comme la surface d'une couche de bioxyde de silicium, est soumise à un environnement de dépôt par épitaxie, il se dépose une pellicule de silicium qui n'est pas monocristallin. Jusqu'à maintenant, la formation de silicium monocristallin sur du bioxyde de silicium était obtenue en créant une grille d'îlots de sil Jium monocristallin comme cela est révélé par Engeler et Blumenfeld Ce procédé repose sur la migration des atomes de silicium à travers la surface d'oxyde entre les îlots de silicium afin d'ajouter à la croissance des îlots Si à une température particulière, la distance de migration du silicium qui précipite est inférieure à la moitié de la 2522695 ' distance entre les lots de silicium, il se produit une germination du silicium qui n'est pas monocristallin sur l'oxyde entre les tlots de silicium monocristallin Dans un effort pour éviter la formation d'une couche de silicium qui n'est pas monocristallin et pour obtenir un procédé de dépôt qui n'est pas retenu par la géométrie du site ou des sites de germination par épitaxie ou la durée de croissance, la présente invention a été découverte. Une couche formant masque est formée sur un substrat semi-conducteur, o la couche formant masque comprend au moins une ouverture qui expose une partie monocristalline du substrat Le silicium est alors déposé par épitaxie à partir d'un mélange gazeux qui comprend une source de gaz de silicium, 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 déposé soit attaquée Ce cycle de dépôt et d'attaque est alors répété un nombre approprié de fois afin d'obtenir une couche de silicium monocristallin d'une dimension prédéterminée, sur la couche formant masque. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: les figures 1 et 2 illustrent la séquence de traitement de la présente invention; et les figures 3, 4, 5 et 6 montrent d'autres structures pouvant être fabriquées par la présente invention. Comme cela est illustré sur la figure 1, un substrat 10 ayant une surface sensiblement plane 12 est initialement formé Dans le mode de réalisation préféré, le matériau du substrat 10 est un silicium monocristallin, et la surface 12 représente une surface cristallographique majeure Cependant, le matériau du substrat 10 n'est pas limité au silicium, comme on le décrira subséquemment. Un masque à ouvertures 14, qui dans le mode de réalisation préféré comprend une couche de bioxyde de silicium (Si O 2) d'une épaisseur d'environ 0,1 à 1,0 f-v, est disposé sur la surface 12 du substrat Le bioxyde de silicium est choisi comme matériau pour le masque parce qu'il est amorphe et qu'il peut résister physiquement au traitement subséquent de dépôt par épitaxie De plus, un masque 14 de Si O 2 peut facilement être formé, et des ouvertures peuvent facilement y être produites par un traitement photolitho- graphique conventionnel Cependant, il faut reconnaitre que la présente invention n'est pas limitée à l'utilisation de Si O 2 et qu'elle n'est pas non plus limitée à un masque d'une épaisseur particulière Les caractéristiques physiques importantes du masque 14 sont qu'il ne soit pas mono- cristallin et qu'il soit capable de résister aux tempéra- tures rencontrées pendant le traitement subséquent. D'autres matériaux appropriés pour le masque comprennent, par exemple, du nitrure de silicium et de l'oxyde d'aluminium. Sur la figure 1, le masque 14 comprend un certain nombre d'ouvertures 16 La dimension, l'intervalle et la configuration de ces ouvertures 16 peuvent varier Par ailleurs, bien que le mode de réalisation représenté sur la figure 1 montre un certain nombre d'ouvertures 16, la présente invention nécessite seulement qu'une seule ouverture 16 soit présente Ce mode de réalisation à plusieurs ouvertures n'est illustré qu'à titre d'exemple. Les ouvertures 16 illustrées peuvent comprendre, par exemple, un certain nombre de carrés, de cercles ou de raies. La partie de la surface 12 du substrat qui est exposée par chaque ouverture 16 sera appelée ci-après site de germination 18 Les sites de germination 18 sur la figure 1 peuvent être placés partout le long de la surface 12 La seule restriction est que chaque site de germination 18 soit de structure monocristalline Cela peut être obtenu, par exemple, en prévoyant un substrat 10 en une masse d'un matériau monocristallin; une couche monocristalline à travers la surface 12 d'un substrat 10 qui est par ailleurs non monocristallin; ou une surface polycristalline 12 o la dimension du grain est telle que chaque ouverture 16 puisse être définie dans les limites d'un grain. La structure masquée de la figure 1 est alors soumise à un cycle à deux stades de dépôt de silicium/ attaque Au premier stade, ci-après le stade de dépôt, du silicium est déposé à partir d'un mélange gazeux qui contient un gaz formant source de silicium et un gaz porteur De plus, un gaz d'attaque du silicium peut être incorporé pendant le stade de dépôt Au second stade, ci- après le stade d'attaque, une partie du silicium déposé pendant le premier stade est attaquée dans un mélange gazeux d'un gaz d'attaque du silicium et d'un gaz porteur. Ce cycle de dépôt/attaque est alors répété, si on le souhaite, tout nombre de fois jusqu'à ce qu'une couche de silicium monocristallin d'une dimension prédéterminée soit formée sur la couche formant masque 14 A chaque site de germination 18, la croissance cristalline se passe sensible- ment verticalement (perpendiculairement à la surface 12) à travers l'épaisseur du masque 14, et de plus, elle se passe latéralement à travers la surface du masque 14 La répétition du cycle peut éventuellement donner un îlot de silicium monocristallin 20 à chaque site de germination 18, comme cela est illustré sur la figure 2. Le cycle de dépôt/attaque peut être accompli dans un réacteur conventionnel, à la pression atmosphérique ou réduite, et on peut utiliser une grande variété de gaz formant source de silicium, de gaz d'attaque du silicium et de gaz porteurs En utilisant du dichlorosilane comme gaz formant source de silicium, du H Cl comme gaz d'attaque (dans les deux stades), et de l'hydrogène comme gaz porteur, des paramètres exemplaires de dépôt/attaque sont résumés au tableau qui suit: DEBIT (litres/mn) H 2 H Cl Si H 2 C 12 TEMPS (mn) CYCLE DE DEPOT 24 0,15 0,20 2 CYCLE D'ATTAQUE 24 0,30 1 VITESSE D' ECOULEMENT: 24 cm/s TEMPERATURE DU REACTEUR: 1100 C (lecture au pyromètre) PRESSION: 1 bar On a observé que ces paramètres produisaient un taux de croissance verticale d'environ 1, 0/4 L/mn et un rapport du taux de croissance horizontale à verticale de 1, 5 Le taux de croissance verticale, le rapport du taux de croissance horitontale à verticale et la détermina- tion pour savoir s'l faut utiliser un gaz d'attaque du silicium pendant le cycle de dépôtvarirt en fonction de la source du gaz formant du silicium et du débit, du gaz d'attaque du silicium et du débit, de la durée du cycle de dépôt, de la durée du cycle d'attaque, de la vitesse d'écoulement, de la température du réacteur et de la température de dépôt Par exemple, en utilisant Si H 2 C 12 comme gaz formant source de silicium, le taux de croissance verticale peut varier entre environ 0,4 et 2,0 /-/mn en faisant varier le débit de Si H 2 C 12 entre environ 0,10 et 1,0 1/mn et en ajustant de façon appropriée le débit du gaz d'attaque du silicium pendant le stade de dépôt. Le rapport de taux de croissance horizontale à verticale augmente généralement aux plus faibles tempéra- tures de réaction Par exemple, en utilisant les paramètres indiqués au tableau, le rapport du taux de croissance horizontale à verticale a été observé comme variant entre environ 1,0 et 2,2 avec une variation de la température dans le réacteur entre 1200 et 1050 C. 2522695- L'étendue à laquelle la température dans le réacteur influence le taux de croissance et le rapport du taux de croissance horizontale à verticale dépend également du gaz formant source de silicium que l'on utilise et de la pression de dépôt Par exemple, on peut s'attendre à ce que Si H 4 permette des dépôts à une température plus faible que Si H 2 Cl 2 tandis que Si C 14 permettra des dépôts à des températures plus élevées que Si H 2 Cl 2 La pression du dépôt peut être modifiée, par exemple entre environ 133 x 102 N/m 2 et la pression atmosphérique. Les durées indiquées de dépôt et d'attaque peuvent également être modifiées en fonction de la composi- tion du gaz et de sa température Par exemple, on peut s'attendre à ce qu'une gamme pratique de durée de dépôt soit de l'ordre de 30 secondes à 4 minutes et que la gamme pratique de durée de cycle d'attaque soit de l'ordre de secondes à 2 minutes. Pendant le stade de dépôt du procédé décrit de dépôt/attaque, le silicium précipite du gaz formant source de silicium sur toutes les surfaces exposées du substrat et du masque Le silicium qui se dépose sur chaque site de germination 18 suit la structure du réseau monocristallin en ce site Au contraire, le silicium qui précipite sur le masque 14 n'a pas d'orientation préférée et se dépose par conséquent sous la forme d'agrégats isolés qui ne sont pas monocristallins De plus, on a observé qu'aux paramètres indiqués, le dépôt du silicium monocristallin commençait immédiatement tandis qu'il y avait un retard d'une certaine durée critique avant que le dépôt non monocristallin ne se produise sur le masque 14. La présence d'un gaz d'attaque du silicium comme H Cl pendant le cycle de dépôt diminue la probabilité que des dépôts de silicium non monocristallin ne se forment sur le masque 14 pendant le dépôt Pendant le stade de dépôt, la quantité relative du gaz formant source de silicium et du gaz d'attaque du silicium ainsi que la durée du dépôt doivent être équilibrée afin d'obtenir un taux pratique de croissance du silicium monocristallin tout en maintenant la capacité de retirer subséquemment, pendant le stade d'attaque, le silicium qui n'est pas monocristallin qui s'est déposé sur le masque 14. La composition gazeuse et la durée de l'étape d'attaque du procédé de dépôt/attaque sont désignées afin de retirer totalement tous les agrégats qui ne sont pas monocristallins et qui restent sur le masque 14 à la suite du stade de dépôt Bien que cette attaque retire également une partie du silicium monocristallin qui croît à partir des sites de germination 18, le taux de dissolution de ce silicium monocristallin est relativement faible en comparaison au taux de dissolution des agrégats qui ne sont pas monocristallins Ainsi, après un seul cycle de dépôt/attaque, il y a plus de silicium déposé pendant l'étape de dépôt qu'il n'y en a d'attaqué pendant l'étape d'attaque, et tout le matériau déposé est de nature monocristalline. La croissance monocristalline verticale/horizon- tale produite par le procédé décrit de dépôt/attaque permet la fabrication d'une grande variété de structures utiles de semi-conducteur La structure de la figure 2 peut être utilisée, par exemple, pour former un certain nombre de dispositifs semi-conducteurs individuels et sélectivement localisés De tels dispositifs peuvent être fabriqués, par exemple, en dopant sélectivement le substrat 10 et des lots de silicium 20 par des techniques conventionnelles de traitement de semi-conducteurs Par exemple, l'interface entre chaque îlot de silicium 20 et le substrat 10 peut être rendu redresseur ou non redresseur selon le dopage, et les profils internes de dopage dans chaque îlot de silicium 20 et dans le substrat 10 peuvent être manipulés en utilisant des techniques photolithogra- phiques conventionnelles. Les figures 3 à 6 illustrent d'autres structures que l'on peut fabriquer par le procédé selon l'invention. En continuant le procédé décrit de dépôt/attaque sur la structure de la figure 2, les divers îlots de silicium 20 croissent éventuellement ensemble afin de forner une couche continue de silicium monocristallin 22, comme cela est illustré sur la figure 3 La figure 5 illustre qu'une structure semblable, d'une couche de silicium monocristal- lin 22 recouvrant le masque 14, peut être fabriquée à partir d'un seul site de germination 18 exposé par une seule ouverture 16 dans le masque 14. La figure 4 montre un autre mode de réalisation qui peut éventuellement avoir une grande importance dans la conception des circuits intégrés On peut le former par des cavités d'attaque 24 dans la couche de silicium 22 de la figure 3 dans des zones correspondant aux ouvertu- res 16 Dans le mode de réalisation illustré, les cavités 24 traversent l'épaisseur de la couche de silicium 22 et traversent le silicium épitaxié dans chaque ouverture 16 afin d'exposer la surface 12 du substrat Ainsi, si la géométrie des ouvertures 16 est ainsi conçue, on peut produire un certain nombre d'flots de silicium 26 qui sont électriquement isol'és Une structure de ce type peut être efficacement utilisée dans une application du type silicium sur saphir (type SOS) o un certain nombre d'îlots en silicium monocristallin sont produits sur un substrat isolant De plus, selon l'application à laquelle la structure de la figure 4 sera soumise, les cavités 24 peuvent être subséquemment remplies d'un matériau diélectrique, résistif ou conducteur afin de donner une structure plus plane. Il faut reconnaître que la structure de la figure 4 pourrait de même être fabriquée à partir de la structure à une seule ouverture de la figure 5 De même, des cavités pourraient de même être formées dans la structure de la figure 2 ou dans une structure entre celles illustrées sur les figures 2 et 3 La figure 6 montre un exemple d'une structure à plusieurs niveaux qui peut être fabriquée par la présente ú 522695 invention Des Ilots isolés 26 en silicium monocristallin sont fabriqués sur le masque à ouvertures 16 par le procédé décrit de dépôt/attaque Un masque à ouvertures 28 est subséquemment formé sur les îlots de silicium 26 et un second groupe d'flots de silicium 30 est alors tiré, par épitaxie par-dessus, d'une façon semblable Une cavité ou un certain nombre de cavités 24 peuvent être formées afin d'isoler les îlots de silicium 26 et/ou les flots de silicium 30, comme on le souhaite Ainsi, le procédé de dépôt/attaque de la présente invention permet la fabrication de circuits intégrés-à plusieurs niveaux, chaque niveau étant sélectivement isolé par exemple par un masque de Si O 2 Cela peut produire un fort impact sur la densité potentielle de tassement et le niveau d'inté- gration des circuits intégrés futurs. Il faut noter qu'une grande variété de structures à un seul niveau ou à plusieurs niveaux peuvent être obtenues en utilisant le procédé de dépôt/attaque révélé ici. 2522695- 11 - 1 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de formation de silicium mono- cristallin sur une couche formant masque, du type comprenant les étapes de: former un substrat semiconducteur ayant une partie monocristalline à l'une de ses surfaces et ayant une couche formant masque sur ladite surface, la couche formant masque ayant une ouverture sur ladite partie monocristalline; et déposer du silicium provenant d'un mélange gazeux comprenant un gaz formant source de silicium et un gaz porteur; caractérisé en ce que une partie du silicium déposé est attaquée dans un mélange gazeux comprenant un gaz d'attaque du silicium et un gaz porteur; et ledit cycle de dépôt et d'attaque est répété, afin d'obtenir un îlot de silicium monocristallin qui s'étend de la surface dudit substrat à l'endroit de l'ouverture de ladite couche formant masque et recouvrant ladite couche formant masque sur une distance prédéterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste de plus à: incorporer un gaz d'attaque du silicium dans le mélange gazeux qui contient le gaz formant source de silicium et le gaz porteur. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est un matériau monocristallin. 4. Procédé selon la revendication 1, o le substrat est un matériau polycristallin ayant une dimension de grain supérieure à la dimension de l'ouverture de la couche formant masque précitée et caractérisé en ce qu'il consiste de plus à: localiser l'ouverture de ladite couche formant masque dans les limites d'un grain. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que de plus la couche formant masque comprend un certain nombre d'ouvertures, chaque ouverture étant placée sur une partie monocristalline du substrat. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche formant masque comprend un matériau choisi dans le groupe consistant en Si O 2, Si 3 N 4 et A 1203. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz formant source de silicium est choisi dans le groupe consistant en Si C 14, Si H 2 C 12, Si H 3 l et Si H 4 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange gazeux de dépôt comprend environ 0,6 % en volume du gaz formant source de silicium, 0,6 % en volume de H Cl et 98,8 % en volume de H 2. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange gazeux d'attaque comprend environ 1,2 % en volume de H Cl et 98,8 % en volume de H 2. 10 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer et à attaquer dans un réacteur o la température est comprise entre environ 1050 et 12001 C. 11. Procédé selon la revendication 1, o le cycle de dépôt et d'attaque consiste à: déposer pendant environ 30 secondes à 4 minutes; et attaquer pendant environ 20 secondes à 2 minutes. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en-ce que le gaz d'attaque du silicium e comprend HC 1. 13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz porteur comprend de l'hydrogène. 14 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce qu'il consiste à répéter le cycle de dépôt et d'attaque afin de former