Brevet FR2568593A1 — publié le 19860207

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CROISSANCE DE COUCHES DE SILICIURES DE METAUX REFRACTAIRES ET COUCHES OBTENUES PAR CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé et un dispositif de croissance de couches de siliciures de métaux réfractaires ainsi que les couches obtenues par ce procédé.Elle s'applique notamment à La réalisa- tion de microcomposants électroniques, en particulier dans le domaine de l'intégration à très grande échelle (VLSI) sur silicium.. Il est connu de réaliser des couches de si- liciures de métaux réfractaires sur un substrat de si- licium, par des techniques de codéposition, et en par- ticulier par des techniques de copulvérisation. Mais ces dernières ne sont pas sélectives. En outre, les couches ainsi obtenues doivent être recuites à 1000 C pendant une ou deux heures ou à 1100 C pendant environ minutes, afin d'abaisser leur résistivité. Malgré ce recuit, la résistivité demeure élevée pour des couches d'épaisseur inférieure à 150 nm et les couches dont l'épaisseur est supérieure à 400 nm se rompent au cours dudit recuit. On connaît également une autre technique de croissance de siliciure d'un métal réfractaire sur un substrat de silicium, technique selon laquelle le mé- tal réfractaire est déposé sur le substrat froid, sous une pression de l'ordre de 10 4 pascal, après quoi un recuit de la couche obtenue est effectué. Cependant, les couches ainsi réalisées sont très rugueuses et se décollent. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. Elle a tout d'abord pour objet un procédé de croissance d'une couche de siliciure d'au moins un métal réfractaire sur un substrat de silicium, carac- térisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes: - nettoyage du substrat, - dégazage thermique du substrat sous ultravide, en amenant ce substrat à une température déterminée, comprise entre environ 600 C et environ 800 C, - évaporation d'au moins un métal réfractaire sur le substrat, à cette température déterminée, et - abaissement progressif de la température. Le procédé de l'invention est un procédé sélectif et les couches obtenues par ce procédé ne nécessitent pas de recuit. Elles sont en outre très stables et ne sont pas dégradées par des traitements thermiques. De plus, elles ont une forte conductivité parallèle en surface pour de faibles épaisseurs (de l'ordre de 30 à 100 nm) ainsi qu'une faible résistance de contact au silicium. Le procédé de l'invention est particulièrement utilisable dans le domaine de la mi- croélectronique, pour la fabrication de transistors MOS à grilles en silicium polycristallin, dont la ré- sistance de grille peut être abaissée en faisant croî- tre sur celle-ci une couche mince de siliciure d'un métal réfractaire. L'invention est également utile pour abaisser les résistances d'accès aux sources et aux drains de ces transistors MOS, en déposant de telles couches sur ces sources et ces drains. Le pro- cédé objet de l'invention est très avantageux si l'on souhaite former des couches de siliciure d'un métal réfractaire à la fois sur les grilles, les sources et les drains de transistors MOS, car il évite alors un niveau de masquage, du fait de sa sélectivité. Le silicium dont est formé le substrat peut être monocristallin ou polycristallin. Le ou les métaux réfractaires sont par exem- pLe choisis dans Le groupe comprenant le tungstène, le molybdène, le tantale, Le titane, le niobium et le rhénium. Dans un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, les étapes de dégazage et d'évaporation sont effectuées dans une enceinte principale dans laqueLLe une pression de l'ordre de 8 pascal est établie préalablement à ces étapes. De préférence, le substrat est porté à la température déterminée au moyen d'un rayonnement qui est envoyé sur la face du substrat, opposée à celle qui est destinée à recevoir le métal réfractaire. De préférence également, pendant l'évapora- tion, le substrat est animé d'un mouvement de rotation autour d'un axe perpendiculaire à la face du substrat, sur laquelle s'effectue l'évaporation. La présente invention concerne également un dispositif de croissance d'une couche de siliciure d'au moins un métal réfractaire sur un substrat de silicium, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enceinte principale étanche, - des moyens pour établir un ultravide dans l'enceinte principale, - un support pour le substrat, - des moyens de chauffage du substrat, et - des moyens pour évaporer chaque métal réfractaire sur une face du substrat. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, celui-ci comprend en outre une enceinte auxiliaire étanche, communiquant avec l'enceinte principale, isoable de celle-ci et destinée à contenir un ou plusieurs substrats, et des moyens pour transférer les substrats un par un de l'enceinte auxiliaire à l'enceinte principale et in- versement. De préférence, les moyens de chauffage sont prévus pour émettre un rayonnement chauffant en direc- tion de L'autre face du substrat. De préférence également, le dispositif objet de l'invention comprend en outre des moyens de rotation du support, prévus pour faire tourner le substrat autour d'un axe perpendiculaire à ladite face. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nul- lement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 est une vue schématique et partielle d'un mode de réalisation particulier dudispositif objet de l'invention, et - - la figure 2 est une vue schématique com- plémentaire de la figure 1. Selon l'invention, pour faire croître une couche de siliciure d'au moins un métal réfractaire sur une plaquette de silicium, cette plaquette pouvant contenir des zones dopées n, p, n, p, des zones in- trinsèques, des zones de silice, des zones de silicium monocristallin ou polycristallin, ladite plaquette est d'abord nettoyée chimiquement très soigneusement. Ce nettoyage comprend par exemple les étapes successi- ves suivantes: - maintien de la plaquette pendant 10 minutes dans du trichloréthylène à 80 C tout en exposant la plaquet- te à des ultrasons, - maintien de la plaquette pendant 10 minutes dans de l'acétone à 20 C tout en exposant la plaquette à des ultrasons, - maintien de la plaquette pendant 10 minutes dans du méthanol à 20 C tout en exposant la plaquette à des ultrasons, B 8269 C/PV - maintien de la plaquette pendant 10 minutes dans de l'acide nitrique bouillant, - maintien de la plaquette pendant 20 secondes dans de l'acide fluorhydrique dilué à 20%, la séquence des deux étapes précédentes étant répétée trois fois, - maintien de la plaquette pendant 10 minutes dans un mélange à 20 C comportant trois volumes d'ammoniaque pour un volume d'eau oxygénée et un volume d'eau, - rinçage de la plaquette pendant une minute dans de l'eau désionisée, - maintien de la plaquette pendant 20 secondes dans de l'acide fluorhydrique dilué à 20% en volume, - rinçage de la plaquette pendant 5 minutes dans de l'eau désionisée, - maintien de la plaquette pendant 10 minutes dans un mélange contenant trois volumes d'acide chlorhydri- que pour un volume d'eau oxygénée et un volume d'eau, - rinçage de la plaquette pendant 10 minutes dans de l'eau désionisée, et - séchage de la plaquette dans de l'azote sec. En fait, le nettoyage chimique, ou prépara- tion, de la plaauette provoque, dans ses dernières étapes, une oxydation superficielle de la plaquette. La couche mince d'oxyde de silicium ainsi formée, dis- parait au cours du traitement, ou dégazage, thermique qui sera expliqué par la suite. Plusieurs plaquettes peuvent être simulta- nément nettoyées de la manière indiquée ci-dessus. Une fois le nettoyage terminé, ces plaquet- tes sont introduites dans le dispositif représenté sur les figures 1 et 2 et sont traitées dans celui-ci d'une façon qui sera expliquée plus loin. Ce dispositif comprend essentiellement une enceinte auxiliaire 2 destinée au stockage des pla- quettes et une enceinte principale 4 destinée au trai- tement de ces plaquettes l'une après l'autre. Ces en- ceintes 2 et 4 sont bien entendu étanches et communi- quent l'une avec l'autre par l'intermédiaire d'une vanne 6 qui permet l'isolation d'une enceinte par rap- port à l'autre. L'enceinte auxiliaire 2 et l'enceinte prin- cipale 4 sont pourvues de moyens de pompage respectifs 8 et 10, destinés à abaisser la pression jusqu'à envi- ron 10- 8 pascal dans ces enceintes. Ces moyens de pom- page sont du type UHV, et donc cryogéniques et/ou io- niques et/ou turbomoléculaires. La partie supérieure de l'enceinte auxi- liaire 2 communique avec un sas 12 prévu pour l'intro- duction des plaquettes, par l'intermédiaire d'une vanne 14. L'enceinte principale 4 est munie dans sa partie inférieure d'un ou plusieurs creusets 16, dis- posés dans des supports 18. Chaque creuset est destiné à contenir un métal réfractaire. A chaque creuset est associé un canon d'évaporation 20 du métal réfractaire correspondant. Les creusets 16, leurs supports 18 et les canons d'évaporation 20 sont entourés par un pan- neau cryogénique 22 qui est refroidi par une circula- tion d'azote liquide et dont la partie supérieure est percée d'une ouverture 23 permettant le passage des vapeurs métalliques résultant de l'évaporation du ou des métaux réfractaires. Un autre panneau cryogénique 24, refroidi par une circulation d'azote liquide, est disposé au- dessus du panneau cryogénique 22. Cet autre panneau cryogénique 24 est également percé d'une ouverture 25 située en regard de l'ouverture pratiquée dans le panneau cryogénique 22. L'enceinte principale 4 comporte également des moyens 26 de support d'une plaquette 28 à traiter, un élément 30 destiné à chauffer cette plaquette par rayonnement et des moyens 32 de rotation de la pla- quette. Les moyens de rotation 32 comportent un rou- lement à billes horizontal qui est disposé au-dessus de l'autre panneau cryogénique 24, coaxialement aux ouvertures pratiquées respectivement dans les pan- neaux cryogéniques 22 et 24. Le roulement à billes comporte une bague supérieure 34 qui est mobile en rotation par rapport à l'enceinte principale, ainsi qu'une bague inférieure 36 qui est fixe par rapport à cette enceinte principale. Les moyens de support 26 sont constitués par des bras, par exemple trois bras à 180 les uns des autres, qui sont fixés à la bague supérieure 34 et qui sont destinés à maintenir la plaquette 28 horizontale- ment au-dessus de l'ouverture pratiquée dans l'autre panneau cryogénique 24. La partie supérieure de l'enceinte princi- pale 4 comporte au-dessus du roulement à billes 32, un support 38 fermé de façon étanche par un couvercle 40. Un moteur non représenté, fixé au support 38, entraîne en rotation un pignon également non représenté qui entraîne à son tour en rotation la bague supérieure 34 dont la face supérieure est dentée à cet effet. La plaquette 28 est disposée sur ses bras 26 de façon que la face 39 de cette plaquette, sur laquelle l'évapora- tion du ou des métaux réfractaires est destinée à être effectuée, soit tournée vers le ou les creusets 16. L'élément chauffant 30 est fixe par rapport à l'enceinte principale 4. Il est monté sur le support 38 et destiné à chauffer ta plaquette 28 par son autre face 41, ou face arrière. L'élément chauffant 30 est muni d'écrans thermiques 42 qui sont également fixes par rapport à L'enceinte principale 4 et portés par Le support 38. Ces écrans thermiques 42 sont entourés par un panneau 44 refroidi à L'eau, qui est égaLement fixe par rapport à l'enceinte principale et fixé sur Le support 38. Les plaquettes à traiter 46 sont stockées dans une cassette 48 qui est déplaçable à partir du haut du sas d'introduction 12 jusqu'au bas de l'en- ceinte auxiliaire 2 et inversement. Pour ce faire, La cassette est pourvue de guides non représentés qui sont aptes à coulisser sur deux colonnes parallèles et verticales 50 qui s'étendent du haut du sas d'intro- duction jusqu'au bas de l'enceinte auxiliaire en étant interrompues au niveau de la vanne 14. Une crémaillère 52 parallèle aux colonnes 50 s'étend également du haut du sas d'introduction jusqu'au bas de l'enceinte auxi- liaire en s'interrompant au niveau de la vanne 14. La cassette est pourvue d'un moteur non représenté qui est commandé de l'extérieur par l'intermédiaire d'un câble électrique souple également non représenté. Ce moteur entraîne en rotation et de façon synchrone, deux roues dentées non représentées qui sont en prise sur la créfaillère 52 et qui sont montées l'une au- dessus de l'autre sur la cassette 48 de telle sorte que si l'une d'entre elles se-trouve à l'interruption de la crémaillère 52 au niveau de la vanne 14, L'autre reste en prise. La commande du moteur permet ainsi de faire descendre la cassette dans l'enceinte auxiliaire 2 et de faire remonter cette cassette dans le sas d'introduction 12. La cassette 48 est de forme parallélépipédi- que. Elle est en outre ouverte sur sa face 54 destinée à se trouver en regard de la vanne 6 et donc de l'en- ceinte principale 4. Elle est également ouverte sur sa face 56 opposée à la face 54. Les plaquettes 46 sont superposées horizontalement dans la cassette 48 et peuvent pénétrer dans celle-ci par la face 56 pour en ressortir par la face 54 ou inversement. La transla- tion des plaquettes 46 dans la cassette 48 est assurée grâce à des glissières non représentées. Les plaquet- tes sont disposées dans la cassette de façon que leur face devant être traitée soit tournée vers le bas. Des rails 58 parallèles et horizontaux s'étendent à partir du voisinage de la colonne 50 la plus proche de la vanne 6 jusqu'au voisinage des moyens de support 26, à travers la vanne 6, et sont destinés à guider chaque plaquette 46 de la cassette 48 usqu'aux moyens de support 26. Les rails 58 compor- tent un tronçon escamotable 60 au niveau de la vanne 6. Ce tronçon est escamoté avant chaque fermeture d.e la vanne 6. Le dispositif selon l'invention représenté sur les figures 1 et 2 comporte également des moyens 62 de déplacement des plaquettes 46 l'une après l'autre, à partir de la cassette 48 jusqu'aux moyens de support 26 et inversement lorsque la cassette est disposée en regard de la vanne 6. Ces moyens de dépla- cement 62 sont disposés dans une enceinte secondaire 64 communiquant avec l'enceinte auxiliaire 2 et rac- cordée de façon étanche à celle-ci. L'enceinte secon- daire 64 est disposée en regard de la colonne 50 la plus éloignée de la vanne 6 et en regard des rails 58. Les moyens de déplacement 62 sont constitués par une canne horizontale, parallèle aux rails 58 et située dans le prolongement de ceux-ci, dans l'encein- te secondaire 64. Cette canne est terminée par une pince 66 destinée à saisir une plaquette 46 et a, ainsi que l'enceinte secondaire 54, une longueur suf- fisante pour pouvoir guider une plaquette 46 sur les rails 58, à partir de la cassette 48 jusqu'aux moyens de support 26 et inversement. Le déplacement de la canne 62 par rapport à l'enceinte secondaire 64 est par exemple réalisé grâce à un aimant 65 que l'on déplace à l'extérieur de l'enceinte secondaire 64 et le long de celle-ci, cette enceinte étant faite d'un matériau amagnétique et grâce à une partie en fer doux 67 de la canne 62, qui est située à l'extrémité oppo- sée à la pince et dont le déplacement, et par consé- quent celui de la canne, est provoqué par celui de l'aimant, cet aimant étant "en regard" de la partie 67. L'enceinte principale 4 est pourvue d'un ou plusieurs hublots 68 prévus pour observer la plaquette 28 disposée sur ses moyens de support 26, pour permet- tre la détermination optique de la température de cette plaquette. Le dispositif représenté sur les figures 1 et 2 peut être adapté à des plaquettes de tailles dif- férentes: après avoir traité un groupe de plaquettes d'une taille déterminée, il suffit, pour traiter un groupe de plaquettes d'une autre taille, de remplacer la cassette 48, les rails 58 et les moyens de support 26 respectivement par une autre cassette, d'autres rails et d'autres moyens de support de taille appro- priée. L'élément 30 chauffant par rayonnement peut être, quant à lui, surdimensionné. Cet élément chauffant par rayonnement, et donc sans contact, est en outre prévu pour porter la plaquette 28 à des températures comprises entre 20 C et 1200 C. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre de la façon suivante: les vannes 6 et 14 étant fermées, les plaquettes préalablement nettoyées comme on la expliqué plus haut, sont introduites dans la cassette 48 qui est alors mise en place sur les colon- nes 50 et la crémaillère 52, dans le sas d'introduc- tion 12 ouvert à cet effet. Ce sas est alors herméti- quement fermé. La vanne 14 est ensuite ouverte et la cassette 48 est descendue dans l'enceinte auxiliaire 2, en actionnant son moteur, de manière que la pla- quette la plus basse de cette cassette se trouve au niveau des rails 58 et de la canne 62. Les-moyens de pompage 8 permettent d'abais- ser la pression jusqu'à environ 10 -8 pascal dans l'en- ceinte auxiliaire 2. Lorsque ceci est réalisé, la vanne 6 est ouverte. La canne 62 est déplacée en di- rection de la plaquette qui se trouve à son niveau et l'on saisit celleci grâce à la pince 66, et, toujours grâce au déplacement de la canne 62, cette plaquette est extraite de la cassette 48 par la face 54 de celle-ci et glisse sur les rails 58 jusqu'à ses moyens de support 26 sur lesquels elle est positionnée, le tronçon escamotable 60 ayant préalablement été remis dans l'alignement avec le reste des rails 58. La canne 62 est alors détachée et éloignée de la plaquette (qui porte la référence 28 lorsqu'elle est sur ses moyens de support 26). Les moyens de support sont mis en rotation et la plaquette est chauffée par sa face arrière grâce à l'élément chauffant, de préférence d'une façon li- néaire en fonction du temps, de manière à porter la plaquette de la température ambiante jusqu'à une tem- pérature voisine de 800 C en trente minutes par exem- ple. Apres quoi, cette plaquette étant maintenue à cette température de l'ordre de 800 C, le ou les métaux réfractaires sont évaporés sur la face de la plaquette située en regard du ou des creusets 16 et encore appelée "face avant" de la plaquette. Le taux d'évaporation est prévu pour obtenir un dépôt de L'ordre de 0,1 nm d'épaisseur par seconde sur La face avant de La plaquette. Lorsque l'évaporation est terminée, c'est- à-dire lorsque l'épaisseur souhaitée est atteinte sur la face avant de la plaquette, la puissance de l'élé- ment chauffant est progressivement diminuée de manière à ramener la température de la plaquette à la tempéra- ture ambiante (20 C environ). Le mouvement de rotation de la plaquette est arrêté et cette plaquette est saisie par la pince de la canne 62 et remise en place dans la cassette 48 en ramenant en arrière la canne 62 dont l'épaisseur est bien entendu adaptée à l'écartement des plaquettes dans la cassette. La cassette 48 est alors abaissée de manière à disposer la plaquette immédiatement supérieure au niveau des rails 58 et de la canne 62 et le traitement de cette autre plaquette est effectué comme on vient de l'expliquer. On agit de même pour toutes les autres plaquettes. Lorsque la totalité des plaquettes a été traitée, la vanne 6 est fermée, la vanne 14 est ouver- te et la cassette est ramenée dans le sas 12. La vanne 14 est alors fermée et le sas est ouvert de manière à en extraire la cassette. On peut alors traiter une autre série de plaquettes-comme on l'a expliqué précé- demment. La couche d'un ou plusieurs métaux réfrac- taires évaporée sur la face avant de la plaquette 28 chauffée à environ 800 C dans l'enceinte principale 4, réagit avec le silicium de la plaquette pour donner une couche conductrice mince de siliciure du ou des métaux réfractaires. On réalise par exemple des cou- ches de siliciure de l'ordre de 10 nm à 100 nm d'épaisseur. Ces couches ne nécessitent aucun recuit et ont une bonne résistivité électrique, comprise entre 10 et 100 microohms.cm environ, cette résistivi- té dépendant bien entendu du ou des métaux réfractai- res utilisés et de L'épaisseur des couches réalisées. Celles-ci sont très stables. Cependant, il est encore possible d'augmenter cette stabilité en effectuant un recuit à environ 1100 C desdites couches. REVENDICATIONS 1. Procédé de croissance d'une couche de si- liciure d'au moins un métal réfractaire sur un substrat de silicium (28), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes: nettoyage du substrat, - dégazage thermique du substrat sous ultravide, en amenant ce substrat à une température déterminée, comprise entre environ 600 C et environ 800 C,- - évaporation d'au moins un métal réfractaire sur le substrat, à cette température déterminée, et - abaissement progressif de la température. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les étapes de dégazage et d'évapora- tion sont effectuées dans une enceinte principale (4) dans laquelle une pression de l'ordre de 10 8 pascal est établie préalablement à ces étapes. 3. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que le substrat (28) est porté à la température déterminée au moyen d'un rayonnement qui est envoyé sur la face du substrat, opposée à celle qui est destinée à recevoir le métal réfractaire. 4. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que, pendant l'éva- poration, le substrat (28) est animé d'un mouvement de rotation autour d'un axe perpendiculaire à la face du substrat sur laquelle s'effectue l'évaporation. 5. Dispositif de croissance d'une couche de siliciure d'au moins un métal réfractaire sur un substrat (28) de silicium, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enceinte principale étanche (4), - des moyens (10) pour établir un ultravide dans l'en- ceinte principale, - un support (26) pour le substrat, - des moyens (30) de chauffage du substrat, et - des moyens (20) pour évaporer chaque métal réfrac- taire sur une face du substrat. 6. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce qu'il comprend en outre une enceinte auxiliaire (2) étanche, communiquant avec l'enceinte principale (4), isolable de celleci et destinée à contenir un ou plusieurs substrats (46), et des moyens (58, 62) pour transférer les substrats un par un de l'enceinte auxiliaire (2) à l'enceinte principale (4) et inversement. 7. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 5 et 6, caractérisé en ce que les moyens (30) de chauffage sont prévus pour émettre un rayonne- ment chauffant en direction de l'autre face du substrat (28). 8. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (32) de rotation du support (26), prévus pour faire tourner le substrat (28) autour d'un axe perpendiculaire à ladite face. 9. Couches obtenues selon le procédé confor- me à l'une quelconque des revendications 1 à 4.