Brevet FR2578095A1 — publié le 19860829

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DEPOT PAR CROISSANCE EPITAXIAILE D'UN MATERIAU DOPE La présente invention a pour objet un procé- dé de dépôt par croissance épitaxiale d'un matériau dopé ainsi qu'un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé. Elle trouve une application en particulier dans la réalisation de composants électroniques ou micro-électroniques formés de plusieurs couches min- ces notamment semiconductrices, superposées et dopées différemment. Les matériaux semiconducteurs essen- tiellement utilisés sont le silicium ou les matériaux III-V tels que l'arséniure de gallium. Comme compo- sants électroniques, l'invention permet notamment de réaliser les diodes hyperfréquences, des lasers hété- rojonctions et des transistors très rapides tels que des transistors SMS (Silicium Métal Silicium) ou des transistors à base perméable (base en forme de grille). Les couches minces semiconductrices sont généralement réalisées par croissance épitaxiale sur un substrat semiconducteur monocristallin. Les diffé- rentes techniques d'épitaxie actuellement connues sont l'épitaxie en phase liquide (LPE), l'épitaxie chimique en phase vapeur (CVD) et l'épitaxie par jets moléculaires (MBE). Parmi ces différentes techniques d'épita- xie, l'épitaxie par jets moléculaires présente des performances intrinsèquement plus élevées, notamment pour l'obtention de couches très minces de quelques nanomètres, de surface parfaitement plane et d'inter- face très abrupte. Un procédé et un dispositif d'épi- taxie par jets moléculaires sont notamment décrits dans un article de Y. OTA paru dans J. Appl. Phys. 51(2) de février 1980 pages 1102-1110 intitulé "Sili- con molecular beam epitaxy with simultaneaous ion im- plant doping". Dans cette technique, on forme, dans une enceinte étanche, des jets ou flux moLéculaires du mé- tariau à épitaxier, par exemple le silicium, et on soumet le substrat chauffé à l'action de ces jets mo- léculaires ainsi qu'à l'action d'un faisceau de parti- cules dopantes. La température de chauffage du susbstrat est relativement faible (600850 C) comparativement aux autres procédés de dépôt et notamment au procédé de dépôt chimique en phase vapeur (1000-1200 C). A cette faible température, il n'existe pratiquement pas de diffusion des particules dopantes et par conséquent, il est possible de réaliser des couches superposées dopées différemment avec un profil de dopage extrême- ment abrupt, profil indispensable pour les composants rapides. Cependant, cette technique de dépôt pose un certain nombre de problèmes notamment en ce qui con- cerne le dopage des couches semiconductrices. En effet, pour certaines particules dopantes, comme par exemple d'arsenic, de phosphore ou d'antimoine, etc, utilisés pour un dopage de type p du silicium, il se passe un phénomène très gênant. En particulier, le ma- tériau dopant est évaporé sous forme de moLécules de type X4 (As4, P4...) et à la température relativement faible du chauffage du substrat (600 à 850 C), il existe une tension de vapeur du gaz dopant ayant pour effet qu'une grande majorité de molécules dopantes, venant toucher la surface de la couche semiconductrice en croissance épitaxiale, ne s'intègre pas à cette couche mais repart dans le gaz dopant. On a pu ainsi déterminer un "coefficient de collage" qui est dans la pratique de l'ordre de 10 4, c'est-à-dire qu'un atome de dopant s'intégre à la couche en croissance épitaxiale pour 10 000 atomes situés à sa surface. Ce faible "coefficient de colla- ge" nécessite d'injecter dans l'enceinte d'épitaxie, dans laquelle un vide très poussé est réalisé, une grande quantité de gaz dopant, ce qui est incompatible avec la nécessité de maintenir un ultravide. L'une des solutions actuellement proposées pour augmenter le "coefficient de collage" sur le substrat à épitaxier consiste à polariser ce substrat. Cette polarisation du substrat permet d'attirer les particules dopantes ionisees venant alors frapper la surface du substrat. Malheureusement, ce bombardement de particules ionisées entraine un endommagement de la couche épitaxiée en créant de nombreux défauts cris- tallins dans cette couche, pouvant entraîner la forma- tion d'une couche pratiquement amorphe (effet de "sputtering" en terminologie anglo-saxonne ou de "pul- vérisation cathodique"). La présente invention a justement pour objet un procédé de dépôt par croissance épitaxiale d'un matériau dopé et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé permettant de remédier aux différents inconvénients donnés ci-dessus. En particulier, elle permet de créer, selon la technique d'épitaxie par jets moléculaires, une couche épitaxiée dopée dont le dopant a un "coefficient de collage" voisin de 1, sans pour autant entrahîner la création de défauts cristal- lins dans cette couche. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de dépôt, par croissance épitaxiale sur la surface d'un substrat, d'une couche d'un maté- riau dopé, consistant à chauffer le substrat dans une enceinte étanche et à soumettre la surface de ce substrat à l'action d'un flux moléculaire dudit maté- riau et à L'action d'un faisceau de particules dopan- tes, caractérisé en ce que t'on irradie au moins une partie de la surface du substrat avec un faisceau d'électrons d'intensité donnée. Ce procédé permet, bien que Les phénomènes physico-chimiques qui se passent à la surface du subs- trat ne soient pas parfaitement connus, d'obtenir une couche épitaxiée de très bonne qualité et dopée de façon efficace étant donné que Le gaz dopant a aLors un "coefficient de collage" voisin de 1. Le bombarde- ment électronique de la surface du substrat provoque alors un accroissement de la concentration du dopage de la couche épitaxiée dans la proportion de 1 à 000. Par ailleurs, ce bombardement électronique permet d'abaisser la température de chauffage du subs- trat. En particulier, Le dépôt d'une couche de sili- cium dopé peut être réalisé en ne chauffant le subs- trat, notamment en silicium, qu'à une température allant de 600 à 8000C au lieu d'un chauffage compris entre 800 C et 850 C. Les avantages que procure l'invention sont liés à l'empLoi d'un faisceau d'électrons. En effet, des études faites par les inventeurs ont montré que le bombardement du substrat avec un faisceau Lumineux par exempLe un faisceau laser, ne permette pas d'obtenir les mêmes résuLtats. Le procédé selon l'invention permet de dépo- ser principalement des couches semiconductrices do- pées. IL s'applique avantageusement au dépôt de cou- ches de silicium de type P dopées par exemple à l'ar- senic, au phosphore, ou à L'antimoine, ou de type N dopées notamment au bore ainsi qu'au dépôt de couches en matériau III-V, tel que l'arséniure de gallium, le phosphure d'indium-ou de gallium, dopé avec des élé- ments métalliques par exemple le zinc, le béryllium ou l'étain. Ces couches sont de préférence déposées sur un substrat semiconducteur monocristallin. L'une des principales conditions de dépôt par épitaxie d'une couche monocristalline queLconque sur un substrat mo- nocristallin quelconque est que la maille du substrat présente des dimensions et une géométrie voisines de celle de la couche épitaxiée. Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on forme le flux moléculaire du matériau constituant la couche à épitaxier par ir- radiation d'une cible de ce matériau avec un faisceau d'électrons. Le procédé selon l'invention permet avanta- geusement de réaliser sur un même substrat plusieurs couches superposées d'un même matériau, notamment mo- nocristallin, dopées différemment par exemple avec une transition extrêmement abrupte de la concentration en dopant, (de quelques couches atomiques), simplement en modifiant brusquement l'intensité du faisceau d'élec- trons, lors de la croissance épitaxiale des couches. On peut aussi définir avantageusement sur le substrat des zones géométriques très précises dont la concen- tration en particules dopantes est différente, en en- voyant le faisceau d'électrons uniquement dans ces zo- nes. Par des couches dopées différemment, il faut aussi bien comprendre des couches de type N ou P, en signe + ou - que des couches de même type dont la concentration en dopant va de 1015 à 1019 atomes/cm. L'invention a aussi pour objet un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé décrit précé- demment. Ce dispositif comprend, dans une enceinte étanche: - des moyens pour supporter Le substrat, - des moyens pour chauffer Le substrat, - des moyens pour supporter au moins une cibLe dudit matériau, - des moyens de chauffage de Ladite cibLe pour former un flux moLéculaire dudit matériau, - des moyens pour former au moins un faisceau de par- ticuLes dopantes, et - une source d'électrons servant à irradier au moins une partie de la surface du substrat. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de La description qui va suivre, donnée à titre ilLustratif et non limitatif en référence à l'unique figure qui représente schéma- tiquement, en perspective, un dispositif d'épitaxie permettant la mise en oeuvre du procédé de l'inven- tion. Le procédé selon l'invention consiste tout d'abord à créer dans une enceinte étanche 2 un vide très poussé, par exemple de 5.10-11 torr (6,7.10-9Pa). A cet effet, L'enceinte 2 est reLiée à une pompe à vide 4 de type classique. Un substrat 6 sur lequel vont s'épitaxier lesdites couches à déposer, par exem- ple un monocristal de silicium, est placé à l'inté- rieur de l'enceinte 2 sur un support 8 prévu à cet effet. Des moyens de chauffage 10, tels qu'un filament chauffant logé à l'intérieur du support 8, permettent d'élever la température du substrat 6. Pour un subs- trat en silicium monocristallin, la température de chauffage est comprise entre 600 et 8000C. Cette tem- pérature est inférieure à celle utilisée dans l'art antérieur. Dans l'enceinte étanche 2 est placé un dis- positif d'évaporation 12 permettant de créer des jets ou un flux moléculaires 13 du matériau devant consti- i8095 tuer la couche ou les couches à épitaxier sur le substrat 6. Ce dispositif 12 d'évaporation 12 a notam- ment fait l'objet d'un brevet américain 4 303 694. De façon simplifiée, ce dispositif 12 comporte un creuset 14, en matériau réfractaire contenant le matériau 16 devant constituer la couche à épitaxier, logé dans un support 18 équipé de moyens de chauffage du creuset 14. Un faisceau d'électrons 22, émis par une source de type connu logée par exemple dans le support 18, est envoyé, à l'aide d'un système de dé- viation approprié 23 tel que des aimants, sur Le maté- riau 16 à épitaxier. Des moyens 24 permettent notamment de commander le chauffage du creuset 14 (température, durée) ainsi que le bombardement électronique 22 (temps d'irradiation, intensité, positionnement du faisceau). Afin d'obtenir une couche êpitaxiée dopée, on crée dans l'enceinte 2 un faisceau de particules dopantes 25 émis par une source 26 telle qu'une cellu- le de Krudtsen bien connue de l'homme de l'art. Afin d'obtenir un dopage efficace de La couche épitaxiée et en particulier un "coefficient de collage" voisin de 1, on soumet conformément à l'in- vention tout ou partie de la surface du substrat 6, lors de la croissance épitaxiale, à L'action d'un faisceau d'électrons 28, engendré par un canat à élec- trons 30, bien connu de l'homme du métier. Les moyens 24 permettent aussi si nécessaire de modifier brusquement l'intensité du faisceau dd'électrons 28, voire à l'annuler complètement, lors de La croissance épitaxiale de la couche afn de modi- fier de façon très précise la concentration de dopants dans la couche épitaxiée. De plus, en ne soumettant que certaines parties de la surface du substrat 6 à l'action du faisceau d'électrons 28, on peut définir de façon très précise des zones géométriques dont la concentration en dopants varie. Par aiLleurs, afin de réaliser sur un même substrat 6 plusieurs couches superposées d'un même ma- tériau, dopées avec des dopants différents, d'autres sources de particules dopantes telles que 34, 36 et 38 peuvent être prévues à L'intérieur de l'enceinte étanche 2. La commande des différentes sources de do- pants est assurée par exemple par les moyens 24. Des moyens de commande 32 du support du substrat 6 permettent d'orienter la surface du substrat, sur laquelle vont s'épitaxier la ou les dif- férentes couches dopées, par rapport au afaisceau d'électrons 28, aux faisceaux de particules dopantes tels que 25 et au flux moléculaire 13. A l'enceinte 2, différents moyens de mesure et d'analyse 40 permettent de contrôler le dépôt des couches ainsi que leur dopage. Le procédé selon L'invention est applicable avantageusement au dép6t, sur un substrat de silicium monocristallin, de couches de silicium monocristallin dopées notamment à l'arsenic, au phosphore ou à l'an- timoine dans le cas de couches de type N, ou bien dopées au bore dans le cas de couches de type P. Avec le procédé selon l'invention, il est possible d'obtenir une couche épitaxiée de silicium monocristallin dopée à l'antimoine avec une concentra- tion de 3.1019 atomes/cm3, en utilisant un faisceau d'électrons 28 ayant une énergie de 100V et un courant électronique de 10 à 100 pA/cm2. Les particules dopan- tes d'antimoine sont obtenues en chauffant une cellule de Krudtsen à 300 C et le flux moléculaire de silicium est obtenu avec une vitesse d'évaporation de 1 pm/h. La température du substrat en silicium monocristallin est de 730 C. La suppression du faisceau d'électrons 28 conduit, toutes choses égales par ailleurs, à un dopa- 17 3 19 3 ge de 2.1017 atomes/cm au lieu de 3.1019 atomes/cm3. La description donnée précédemment n'a bien entendu été donnée qu'à titre explicatif et non limi- tatif, toutes modifications, sans pour autant sortir du cadre de l'invention, pouvant être envisagées. En particulier, le substrat d'épitaxie et les couches à épitaxier peuvent être réalisés en un aautre matériau que le silicium monocristallin. Le substrat et les couches épitaxiées peuvent notamment être réalisés en arséniure de gallium, en phosphure d'indium ou de gallium. Par ailleurs, on peut remplacer la cellule de Krudtsen, constituant la source de particules do- pantes, par une simple cible de ce matériau soumise à un bombardement électronique. REVENDICATIONS 1. Procédé de dépôt, par croissance épita- xiate sur la surface d'un substrat (6), d'une couche d'un matériau (16) dopé, consistant à chauffer le substrat (6) dans une enceinte étanche (2), et à sou- mettre La surface de ce substrat à L'action d'un fLux molécuLaire (13) dudit matériau (16) et à faction d'un faisceau de particuLes dopantes (25), caractérisé en ce que L'on irradie au moins une partie de La sur- face du substrat (6) avec un faisceau d'électrons (28) d'intensité donnée. 2. Procédé de dépôt selon La revendication 1, caractérisé en ce que Le matériau (16) est un maté- riau semiconducteur. 3. Procédé de dépôt selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau (16) est réa- lisé en silicium ou en un matériau III-V. 4. Procédé de dépôt seLon La revendica- tion 3, caractérisé en ce que les particules dopantes (25) sont des particules d'arsenic, de phosphore, d'antimoine ou de bore pour un matériau en silicium. 5. Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat (6) est un matériau semiconducteur monocris- taLLin. 6. Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat (6) est réalisé en silicium ou en un matériau III-V. 7. Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on chauffe le substrat (6) à une température comprise entre 600 C et 8000C. 8. Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on forme le flux moléculaire (13) dudit matériau (16) par irradiation d'une cible de ce matériau avec un fais- ceau d'électrons (22). 9. Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, de plusieurs couches d'un même matériau dopées différemment, caractérisé en ce que l'on modifie brusquement l'intensité du faisceau d'électrons (28) et/ou le faisceau de particules do- pantes. 10. Dispositif pour déposer, par croissance épitaxiale sur La surface d'un substrat (6) au moins une couche d'un matériau dope, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte étanche (2) contenant: - des moTens pour supporter (8) le substrat (6), - des moyens (lO) pour chauffer le substrat (6), - des moyens (14, 18) pour supporter au moins une cible dudit matériau (16), - des moyens de chauffage (20) de ladite cible pour former un flux moléculaire (13) dudit matériau (16), - des moyens (26, 34, 36, 38) pour former au moins un faisceau de particules dopantes (25), et - une source d'électrons (30) servant à irradier au moins une partie de la surface du substrat (6).