Brevet FR2543581A1 — publié le 19841005

L'invention a pour objet un procédé pour former une couche d'oxyde sur la surface d'un substrat en matériau semiconducteur. Dans les techniques de fabrication de composants élec.troniques actifs ou passifs tels que les circuits intégrés MOS ou les transistors à effet de champ, on a souvent recours à une étape de dépôt sur un substrat en matériau semiconducteur d'une couche mince d'oxyde qui. constituera par exemple la grille du transistor. Jusqu'à présent, on a formé de telles couches d'oxyde sur un substrat semiconducteur par des procédés de dépôt de l'oxyde sur le substrat, d'oxydation thermique du substrat ou encore d'oxydation du substrat au moyen d'un plasma d'oxygène. Cependant, ces procédés ne permettent pas l'obtention de couches très minces présentant une qualité satisfaisante, notamment en ce qui concerne leur homogénéité et leur stoechiométrie au niveau de leur interface avec le substrat. En ef- fet, les procédés de dépôt de l'oxyde sur un substrat ne permettent pas d'obtenir une couche fine d'oxyde ayant une qualité physique et dimensionnelle suffisante pour pouvoir être utilisée comme oxyde de de grille ; de meme, les procédés d'oxydation au moyen d'un plasma d'oxygène ne conduisent pas à l'obtention de couches d'oxydes ayant une qualité satisfaisante, En revanche, les procédés d'oxydation thermique, qui consistent à mettre le substrat dans un four rempli d'oxygène et à le chauffer à une température relativement élevée, par exemple à 1000 0C conduisent à un oxyde de bonne qualité, mais ils présentent d'autres inconvénients. En effet, à ces températures élevées, il se produit une diffu sion des éléments dopants ainsi qu'un défaut de stoechiométrie sur une épaisseur de quelques dizaines d'angströms dans la zone d'interface entre le substrat et la couche d'oxyde formée.De ce fait, il est-difficile d'obtenir une couche d'oxyde ayant une épaisseur inférieure à quelques centaines d'angströms, en raison du défaut de stoechiométrie, et il est par ailleurs impossible de réaliser des motifs de géométrie inférieure à quelques microns en raison de la diffusion des éléments dopants. L'invention a précisément pour objet un procédé pour former une couche d'oxyde sur la surface d'un substrat en matériau semiconducteur qui pallie les inconvénients précités. Ce procédé consiste : a) - à introduire de l'oxygène dans une enceinte contenant le substrat, et b) - à irradier le substrat présent dans l'enceinte au moyen d'un rayonnement ultraviolet. Selon l'invention, on peut opérer soit sous une pression-d'oxygène élevée, par exemple de 2,5MPa, soit sous une pression d'oxygène faible, et utiliser comme source de rayonnement des lampes classiques, ou des lasers continus ou pulsés émettant dans le domaine de l'ultraviolet, soit à des o longueurs d'onde de 500 à 4000 A. Dans ces conditions, l'oxygène présent dans l'enceinte réagit avec le matériau du substrat ptur former une couche d'oxyde. On suppose que l'oxygène moléculaire 2 qui se trouve en phase adsorbée est prédissocié au voisinage de la surface du matériau semiconducteur et que, dans ces conditions, le rayonnement ultraviolet apporte une énergie suffisante pour dissocier les molécules d'oxygène adsorbées sans dissocier directement les molécules d'oxygène non adsorbées. L'énergie du rayon nement ultraviolet permet simultanément de délocaliser les liaisons entre atomes du semiconducteur au voisinage de la surface du substrat et de délocoaliser également les liaisons semiconducteur-O, ce qui permet la constitution de liaisons semiconducteur-O2.A#insi, on peut obtenir une oxydation du substrat selon une couche d'épaisseur constante, réaliser des couches d'oxyde très minces, par exemple de quelques dizaines d'angströms, et supprimer la zone d'interface entre le substrat et l'oxyde. De plus, ce procédé présente l'avantage de ne pas nécessiter l'emploi de températures élevées. Par le procédé de l'invention, on peut former une couche d'oxyde de 50 à 200 A d'épaisseur sur divers substrats en matériaux semiconducteurs, par exemple sur des substrats en silicium, en germanium ou en d'autres composés semiconducteurs binaires ou ternaires tels que les composés du type III-V comme AsGa. Le procédé de l'invention peut être utilisé, soit pour obtenir directement sur un substrat la croissance d'une couche mince d'oxyde d'un matériau semiconducteur, soit pour obtenir une restructuration de la zone d'interface entre un substrat et une couche d'oxyde formée par d'autres procédés. Dans ce dernier cas, le procédé de l'invention consiste à former tout d'abord sur le substrat une couche d'oxyde du matériau semiconducteur et à irradier le substrat ainsi revêtu au moyen d'un rayonnement ultraviolet, en présence d'oxygène. Dans ces conditions, la zone d'interface entre le substrat et la couche d'oxyde formée préalablement qui était déficiente en oxygène, est restructurée et disparaît presque totalement en se transformant en oxyde parfait. Selon le procédé de l'invention, on peut régler à la valeur voulue Igépaisseur de la couche déposée en agissant sur la durée du traitement d'irradiation- en présence d'oxygène Cependant, lorsqu'on désire obtenir des-- couches ayant- une épaisseur supérieure à une centaine d'angströms, il est préférable de former cette couche en utilisant deux modes de dgeôt, à savoir u# croissance par oxydation sous l'influence du ray-onnement ultraviolet et une croissance par des procédés classiques.Dans ce cas, on peut former tout d'abord une mince couche d'oxyde du matériau semiconducteur par pue procédé de l'invention sous l'action d'un rayonnement ultraviolet en présence d'oxygène, puis déposer ensuite une couche d'oxyde par des procédés classiques, par exemple par évaporation sous vide ou par dépôt chimique en phase vapeur, ce qui permet d'obtenir une couche d'oxyde d'épaisseur suffisante. Dans ce cas, on effectue le second dépôt à basse température, de façon à éviter -une diffusion de celui-ci dans la première couche et d'obtenir ainsi un bon interface entre le substrat et la couche d'oxyde. En utilisant ces deux modes de dépit on peut obtenir des couches d'oxyde du matériau semiconducteur ayant une épaisseur de plusieurs milliers d'angströms. Selon une variante du procédé de l'invention particulièrement adaptée à l'obtention de couches d'oxyde ayant une épaisseur supérieure à une centaine d'angströms, on effectue un dépôt de particules d'oxyde du matériau semiconducteur sur le substrat par des procédés classiques, par exemple par évaporation sous vide ou à partir d'un plasma contenant de l'oxygène, et on soumet simultanément le substrat à une irradiation au moyen de rayonne ments ultraviolets en présence d'oxygène. Ainsi, par ces procédés classiques on dépose. sur le substrat une couche d'oxyde déficiente en oxygène, mais on transforme cette couche en oxyde stoechiométrique grâce à l'irradiation par les rayonnerents ultraviolets en présence d'oxygène.Généralement, on dépose l'oxyde du matériau semiconducteur par évaporation sous vide, ce-qui, dans le cas de l'oxyde de silicium de formule SiOx avec x compris entre 1 et 2, est réalisé par chauffage à une température de 400 à 7000C du creuset contenant le SiOXo On peut aussi réaliser le dépôt de SiOx à partir d'un plasma formé à partir de SiH4 et d'oxygène. Dans ce cas, comme précédemment, on transforme le déport en SiO2 par irradiation au moyen des rayonnements ultraviolets, en présence d'oxygène. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit donnée bien entendu à titre illustratif et non limitatif en référence au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, et - la figure 2 représente schematiquement un autre dispositif utilisable pour la mise en oeuvre du procédé. Sur la figure 1, on voit que le dispositif comprend une enceinte étanche 1 munie d'un hublot 3 transparent aux rayonnements ultraviolets et une source 5 de rayonnements ultraviolets disposée à l'extérieur de l'enceinte en regard du hublot 3 de façon à pouvoir irradier le substrat 7 disposé dans l'enceinte 1 sur un support approprié 9. De l'oxygène peut être introduit dans l'enceinte par la conduite 11. La source de rayonnements 5 est avantageusement un laser continu ou un laser pulse. On utilise ce dispositif de la façon suivante. Tout d'abord, on introduit dans l'enceinte 1, le substrat 7 à traiter et on introduit également de l'oxygène par la conduite 11. On soumet ensuite le substrat à l'action des rayonnements ultraviolets émis par la source 5 pendant une durée suffisante pour obtenir l'épaisseur de couche d'oxyde désirée. Sur la figure 1 on a également représenté en traits mixtes un creuset d'évaporation 13 susceptible d'entre porté à une température appropriée par un moyen de chauffage non représenté sur le dessin. Ce creuset 13 peut être utilisé pour déposer, par évaporation sur le substrat 7, une couche d'oxyde non stoechiométrique que l'on transforme en couche d'oxyde stoechiométrigue par le rayonnement ultraviolet emis par la source 5 en présence d'oxygène introduit par la conduite 11. Sur la figure 2, on a représenté un autre dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce dispositif comprend lui aussi une enceinte 1 munie à sa partie supérieure d'un couvercle 2 sur lequel sont disposées une série de lampes à ultraviolet 5. A l'intérieur de l'enceinte, on peut faire circuler de l'oxygène par les conduites 11 et 12 et on peut disposer sur le fond 9 de l'enceinte une pluralité de substrats 7 à traiter. Ce dispositif est utilisé de la façon suivante : on ouvre le couvercle 2 de l'enceinte pour introduire à l'intérieur les substrats 7, puis on referme et l'on met en circulation l'oxygène tout en irradiant les substrats au moyen des lampes 5 fixées sur le couvercle. L'exemple suivant qui concerne la formation d'une couche d'oxyde de silicium sur un subs trat plan en silicium est donné à titre d'illustra- tion de l'invention. Dans cet exemple#, on utilise une source de rayonnements ultraviolets constituée par un la o ser pulsé ayan#t une -longueur d'onde de 2480 A, ce qui correspond à une énergie-de 5eV. L'énergie par impulsion du laser est de 100 mJ/cm2, la fréquence des impulsions est de 20 impulsions par seconde et la durée d'impulsion de 15 ns. On introduit le substrat en silicium dans le dispositif de la figure 1, et on réalise l'irradiation du substrat au moyen du rayonnement ultraviolet émis par le laser pulsé, sous une pression d'oxygène de 0,135 Pa, pendant 5 heures. On obtient ainsi une couche d'oxyde de silicium SiO2 ayant une épaisseur de 15.10-4 Bm, qui présente une qualité parfaite, REVENDICATIONS 1. Procédé pour former une couche-d'oxyde sur la surface d'un substrat en matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il consiste.: a) - à introduire de 1'-oxygène -dans. une enceinte (1) contenant le substrat (7), et b) -- à irradier le substrat présent dans l'enceinte au moyen d'un rayonnement ultraviolet. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste a) - à former tout d'abord sur le substrat (7) une couche d'oxyde du matériau semiconducteur, et b) - à irradier le substrat ainsi revêtu au-moyen d'un rayonnement ultraviolet, en présence d'oxygène. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après avoir formé une couche d'oxyde par irradiation du substrat (7) au moyen de rayonnements ultraviolets en présence d'oxygène, on dépose sur le substrat ainsi revêtu une couche d'oxyde du matériau semiconducteur par un autre procédé. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste : a) - à déposer sur le substrat (7) des particules #'un.oxyde du matériau semiconducteur, et b) - - à irradier simultanément le substrat au moyen d'un rayonnement ultraviolet, .en présence d'oxygène. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on dépose sur le substrat les particules de l'oxyde du matériau semiconducteur par évaporation. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on dépose sur le substrat les particules de l'oxyde du matériau semiconducteur à partir d'un plasma contenant de l'oxygène. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rayonnement ultraviolet est émis par un laser continu (5). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rayonnement ultraviolet est émis par un laser pulsé (5). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le substrat est en silicium.