Brevet FR2583071A1 — publié le 19861212

La présente invention concerne un procédé et un appareil de croissance épitaxiale de semi-conducteurs à l'aide de faisceaux moléculaires. L'épitaxie à l'aide de faisceaux moléculaires convient à la croissance d'un mince film d'un composé semi-conducteur, avec un réglage facile. Selon ce procédé, des éléments tels que des constituants du film semi-condur- teur sont utilisés comme matériaux sources. Par exemple, lors de la croissance d'arséniure de gallium dopé par de l'aluminium, de l'aluminium, du gallium, de l'arsenic et des matières de dopage sont conservés dans des cellules de Knudsen. Ces sources sont chauffées afin qu'elles forment indépendamment des faisceaux moléculaires. Les cellules de Knudsen sont disposées de manière que la partie centrale de la répartition de leur flux recoupe le substrat chauffé par un dispositif convenable. Une jauge à ionisation destinée à mesurer les intensités des faisceaux molécu- laires respectifs est disposée afin qu'elle soit mobile dans l'appareil de croissance et qu'elle permette un réglage des intensités. Un appareil de croissance épitaxiale à l'aide de faisceaux moléculaires est un appareil qui travaille sous vide très poussé. La fréquence d'exposition de la chambre de croissance à l'air doit être réduite afin qu'un mince film semi-conducteur très pur puisse être obtenu et afin que l'appareil ait un rendement élevé de fonctionnement. Les opérations d'entretien de l'appareil telles que le remplacement des différents éléments et le nettoyage, doivent être réduites au minimum afin que la contamination de l'appareil par des impuretés soit réduite. Cependant, lorsque l'appareil est utilisé de manière continue pendant une longue période, les matériaux sources se déposent sur des parties de l'apparil, et sont un inconvenient. En particulier, une jauge à ionisation et un dispositif de chauffage du substrat ont tendance à subir les influences des dépôts des matériaux sources. Les intensités des faisceaux moléculaires sont mesurées avant l'épitaxie. Lorsque l'appareil a été utilisé pendant une longue période, les matériaux sources se déposent sur le collecteur et sur la grille de la jauge à ionisation et les parois de protection entourant la jauge. La sensibilité absolue de la jauge à ionisation varie au cours du temps étant donné le dépôt des matériaux. Lorsqu'un matériau source ayant une tension élevée de vapeur se dépose, il s'évapore à nouveau sous l'action de la chaleur rayonnée par le filament. Le vide régnant n'augmente pas suffisamment et ne se stabilise pas si bien qu'il provoque des variations des mesures et l'apparition de divers bruits. En conséquence, les intensités des faisceaux moléculaires ne peuvent pas être mesurées avec precision. Le dépôt des matériaux sources est aussi nuisible au dispositif de chauffage du substrat. D'abord, comme un élément ayant une tension élevée de vapeur, parmi les matériaux sources, est à nouveau évaporé par la chaleur rayonnée par le dispositif de chauffage pendant la crois- sance épitaxiale d'un mince film semi-conducteur, la composition résultante du film varie. Ensuite, le disposi- tif de chauffage comporte un mécanisme qui tourne autour de son axe afin que l'uniformité du film formé par crois- sance soit améliorée. Le dépôt des matériaux sources per- turbe la rotation régulière du mécanisme et constitue une source de poussière pendant la rotation. Lorsque de la poussière se fixe au substrat, elle constitue un germe de croissance anormal qui réduit la qualité du film formé par croissance ou a un effet nuisible sur le processus ultérieur de fabrication de dispositifs à semi-conducteur. La présente invention concerne un appareil de croissance épitaxiale à l'aide de faiscaux moléculaires dans lequel un dispositif de chauffage d'un substrat et une jauge à ionisation peuvent être nettoyés sans exposition d'une chambre de croissance à l'atmosphère externe. Plus précisément, l'invention concerne un appareil assurant la croissance d'un composé semi-conducteur sur un substrat par épitaxie à l'aide de faisceaux moléculaires, comprenant: une chambre de croissance, un dispositif placé dans la chambre et destiné à former des faisceaux moléculaires des matériaux sources du composé semi-conducteur, de manières indépendantes, un dispositif placé dans la chambre de croissance et destiné à mesurer les intensités des faisceaux molécu- laires, un dispositif placé dans la chambre de croissance et destiné à chauffer le substrat à une température de croissance du composé semiconducteur, un dispositif de chauffage du dispositif de chauffage du substrat et du dispositif de mesure, destiné à provoquer l'évaporation des matériaux d'impuretés, comprenant les matériaux sources déposés sur le dispositif de chauffage du substrat et sur le dispositif de mesure, après la croissance du composé semi-conducteur, et un dispositif de mise sous vide de la chambre de croissance. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'un appareil de croissance épitaxiale à l'aide de faisceaux moléculaires selon un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une coupe détaillée d'un dispositif de chauffage utilisé dans l'appareil de la figure 1; et la figure 3 est une coupe d'une structure semi- conductrice multicouche formée -à l'aide de l'appareil de croissance représenté sur la figure 1. Sur les diverses figures, les références identiques désignent des éléments analogues. Un appareil 10 de croissance épitaxiale à l'aide de faisceaux moléculaires selon un mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 1, comporte une chambre 1 1 de croissance destinée à être maintenue sous un vide poussé. Une jauge 12 à ionisation destinée à mesurer l'intensité des faisceaux moléculaires et un dispositif 13 de chauffage de substrat sont placés dans la chambre 11. La jauge 12 à ionisation est supportée à l'une des deux extrémités d'une tige rotative 14 de support. Des cellules 15 de Knudsen destinées à conserver des éléments constituant un composé semi-conducteur et des matières de dopage ajoutées à ce composé le cas échéant, sont placées dans la chambre 11. Des obturateurs 16 sont placés devant les cellules 15. La figure 1 représente cinq cellules de Knudsen lSa à 15e destinées à contenir du gallium, de l'aluminium, de l'arsenic, du silicium et du béryllium respectivement. Les obturateurs 16a à 16e sont placés devant les cellules 15a à 15e respectivement. Les cellules 15a à 15e sont disposées de manière que la partie centrale de la répartition du flux des faisceaux pendant la croissance épitaxiale recoupe le substrat S chauffé par le dispositif 13 de chauffage. La chambre 11 communique avec la chambre sous vide 17 afin que la chambre 11 soit maintenue sous un vide poussé (de préférence de 10- 9 à 10torr). Un dispositif de mise sous vide est relié à la chambre 17. Ce dispositif de mise sous vide comporte une pompe ionique 18 couplée à la chambre 17 par un robinet 19 et une pompe cryogénique reliée par un robinet 21. La chambre 22 de traitement préalable communique avec la chambre 11 de croissance par un robinet 23 distant de la chambre sous vide 17._ La pompe ionique 23 est reliée à la chambre 22 de traitement préalable par un robinet 24 afin que la chambre 22 soit mise sous vide (de préférence entre 10-8 et 10- 9 torr). Comme décrit en détail dans la suite, un substrat semi-conducteur est placé dans la chambre 22 et est chauffé par un dispositif de chauffage non représenté si bien que le gaz adsorbé sur le substrat est évacué. En outre, une chambre 22a de logement d'un barreau 43 communique avec la chambre 22 de croissance. La chambre 25 de vide préliminaire communique avec la chambre 22 de traitement préalable par le robinet 26. Une pompe ionique 27 est reliée à la chambre 25 par un robinet 28 afin que la chambre 25 soit mise, sous vide (de préférence à une pression de 10- 6 à 10 7 torr). La chambre 28 d'avance de substrat semi-conducteur communique avec la chambre 25 par un robinet 30. Plusieurs pompes 34 à sorption (trois sur la figure 1) sont raccordées à un trajet commun 32 d'évacuation par des robinets corres- pondants 33 afin que la chambre 29 soit mise sous un vide qui est de préférence de l'ordre de 10- 4 torr. Le trajet 32 communique avec la chambre 29 par un robinet 31. Un dispositif 35 de chauffage est supporté par une tige 35a de support afin que la jauge à ionisation 12 et/ou un dispositif 13 de chauffage de substrat soient nettoyés. Le dispositif 35 de chauffage se loge dans la chambre 36 qui communique avec la chambre 11 de croissance par un robinet 37. Un obturateur 38 est destiné à ouvrir ou fermer la chambre 36 et il est entraîné par un mécanisme 39 de commande. Une pompe ionique 40 est raccordée à la chambre 36 par un robinet 41. Le dispositif de chauffage 35 est clairement représenté sur la figure 2. Ce dispositif 35 comporte un organe 51 de chauffage disposé entre deux parois cylindri- ques 52 de tantale. La partie inférieure du dispositif 35 de chauffage est recouverte d'une plaque réfléchissante 53 de tantale. Un thermocouple 54 est disposé de la plaque 53 vers le dispositif 35 de chauffage. Un aimant 55 est monté à la face externe de l'extrémité arrière de la tige 35a de support. Un aimant 56 entoure la surface externe de la chambre 36, à l'emplacement correspondant à celui de l'aimant 55. Des guides annulaires 57 de support sont montés à la surface interne de la chambre 36 afin qu'ils guident le coulissement de la tige 35a de support dans sa direction longitudinale. Les fils 58 de connexion de l'organe 51 de chauF- fage et du thermocouple 54 sont raccordés à l'extrémité arrière de la tige 35a de support et sortent par une traversée 59. L'obturateur 38 ouvre ou ferme la chambre 36 lors de la rotation du mécanisme 39 d'entraînement. Pendant la croissance épitaxiale, la chambre 36 est fermée par l'obturateur 38 afin que les matériaux sources ne puissent pas se déposer sur la partie de fermeture du robinet 37. Un mince film d'un composé semi-conducteur (par exemple AlGaAs) peut être formé sur un substrat semi- conducteur (par exemple GaAs) à l'aide de l'appareil de croissance dans ce mode de réalisation, de la manière suivante. Un substrat de GaAs est lavé par un mélange d'acide sulfurique, de peroxyde d'hydrogène et d'eau. Le substrat est séché et collé par de l'indium à un bloc 42 de molybdène monté à l'extrémité externe du barreau 43 d'alimentation. Le substrat est alors avancé dans la chambre 29. Celle-ci est mise à une pression atmosphérique ou est évacuée par les pompes 33 à sorption à un vide qui peut atteindre 10-4 torr. Le robinet 30 est ouvert afin que le substrat de GaAs pénètre dans la chambre 25. Celle-ci est mise par la pompe ionique 27 à un vide compris entre 106 et 10 7 torr. Le robinet 26 est alors ouvert afin que le substrat pénètre dans la chambre 22 de traitement préalable. Celle-ci est mise par la pompe ionique 23 à un vide de 10-8 à 10- 9 torr et, simultanément, le substrat de GaAs est chauffé à 400 C pendant 20 min si bien que le gaz adsorbé sur le substrat est éliminé. Le robinet 23 est alors ouvert afin que le substrat S de GaAs soit monté sur un dispositif 13 de chauffage de substrat. La chambre 11 de croissance est alors mise par la pompe ionique 18 et la pompe cryogénique 20 à un vide compris entre 10- 8 et -10 torr. Les obturateurs 16 sont ouverts et les tempéra- tures des cellules de Knudsen 15 sont réglées de manière que les intensités prédéterminées des faisceaux moléculaires soient obtenues, ces intensités étant mesurées par la jauge 12 à ionisation. Lorsque les intensités des faisceaux molé- culaires respectifs atteignent les valeurs prédéterminées, la tige rotative 14 de support est tournée afin que le substrat S de GaAs soit tourné vers les cellules de Knudsen 15. Le substrat S de GaAs est irradié par un faisceau moléculaire d'arsenic et est porté par le dispositif 13 de chauffage à une température de 600 C par exemple pendant 30 min. La croissance du film de AlGaAs sur le substrat S de GaAs commence alors. Les opérations suivantes sont exécutées lorsque la jauge 12 à ionisation et le dispositif 13 de chauffage doivent être nettoyés après croissance épitaxiale. Lorsque le substrat S a été retiré de la chambre 11 de croissance, la jauge 12 à ionisation est mise en position de nettoyage (c'est-à-dire en position tournée vers le dispositif de chauffage 35). L'obturateur 38 et le robinet 37 sont ouverts et le dispositif 35 de chauffage est introduit dans la chambre 15 de croissance par manoeuvre des aimants 55 et 56. La jauge 12 à ionisa- tion est introduite dans le dispositif 35 de chauffage. L'organe 51 est commandé afin qu'il élève progressivement la température. La température est maintenue à une valeur de 750 C, supérieure à la température de croissance de AlGaAs (600 C). Le chauffage est maintenu jusqu'à ce que la chambre 11 de croissance soit mise par la pompe ionique 18 et la pompe cryogénique 20 à une pression infé- rieure ou égale à 10- 8 torr (soit pendant 10 à 30 min envi- ron). Entre-temps, les matériaux sources déposés sur la jauge 12 à ionisation s'évaporent et sont évacués, et la jauge 12 est donc nettoyée. Après nettoyage, le dispositif de chauffage est remis en position suivant les- opérations inverses. Le dispositif 13 de chauffage du substrat peut lui aussi être nettoyé de la manière décrite précédemment. La jauge 12 à ionisation est nettoyée de préférence à une température de 400 à 500 C, et le dispo- sitif 13 de chauffage du substrat est nettoyé de préférence à une température de 700 à 750 C. La jauge 12 à ionisation et le dispositif 13 de chauffage de substrat sont de préférence nettoyés après trois à cinq cycles de croissance d'un mince film d'un composé semi-conducteur. Le nettoyage est réalisé très avantageusement après chaque cycle de formation d'un film. Le matériau source principal fixé sur des parties de la chambre de croissance et déposé sur ces parties pen- dant la croissance de AlGaAs est presque toujours l'arsenic. Le gallium et l'aluminium ne se déposent pratiquementpas sur les différents éléments. Même lorsqu'ils se déposent, ils ne peuvent pas constituer une source d'impuretés étant donné leur faible tension de vapeur. Selon l'invention, une structure semi-conductrice multicouche comprenant au moins une couche d'un composé semi-conducteur contenant trois éléments (par exemple AlGaAs) peut être formée sur un substrat semi-conducteur (par exemple un substrat de GaAs) par répétition de la croissance d'un mince film d'un composé semi-conducteur et d'un nettoyage après croissance épitaxiale. La figure 3 représente une structure multicouche formée à l'aide de l'appareil décrit précédemment. Comme l'indique la figure 3, une couche 62 de GaAs non dopée de I gm d'épais- seur est formée sur un substrat de GaAs. Une couche 63 de A. 0,3Ga0o,7As dopée par du silicium et de 200 nm d'épais- seur, est formée sur la couche 62. Une couche 64 de GaAs non dopée de 20 nm d'épaisseur est formée sur la couche 63. Les propriétés des minces films semi-conducteurs formés par l'appareil de croissance selon l'invention sont comparées à celles des films formés par croissance sans nettoyage, de la manière suivante. Exemple 1 La croissance d'un film de GaAs ayant une épaisseur de 1 à 2 Vm, sur un substraat de GaAs, a été répétée vingt fois, avec l'appareil de croissance de la figure 1. La jauge à ionisation et le dispositif de chauffage du substrat ont été nettoyés suivant les opérations indiquées précédem- ment à chaque cycle de croissance de film. Dans un exemple comparatif, le cycle précédent a été répété dix fois sans nettoyage. Le nombre de défauts de surface du mince film de GaAs, ayant chacun une dimension au moins égale à 2 Vm, a été mesuré à l'aide d'un microscope optique, et une densité des défauts superficiels a été calculée pour chaque échan- tillon. Les valeurs moyennes sont résumées dans le tableau I. TABLEAU I Nombre d'échantillons Densité de défauts superficiels Exemple 1 20 400 défauts/cm2 Exemple 10 900 défauts/cm2 comparatif Comme l'indique le tableau I, les minces films semi-conducteurs formés par croissance et avec nettoyage selon l'invention ont de meilleures propriétés que les films formés sans nettoyage. Exemple 2 Des films de composé semi-conducteur de 1 Mm d'épaisseur ont été formés par croissance avec des inten- sités identiques de faisceaux moléculaires, afin que la reproductibilité du rapport de composition x soit exa- minée au cours de la formation de AúxGa ixAs sur un substrat de GaAs, et les valeurs de x des minces films résultants ont été mesurées par une mesure de photoluminescence à 4,2 K. Les résultats donnés pour les minces films obtenus avec nettoyage selon l'inventior et sans netoyage sont résumés dans le tableau II. TABLEAU II Valeur Valeur mesurée nominale Sans nettoyage Avec nettoyage Nombre Nombre x d'échantillons x ax d'échantillons x ax 0,3 8 0,305 0,015 7 0,302 0,005 0,5 6 0,510 0,02 7 0,503 0,01 1 0. Comme l'indique le tableau II, la précision de lecture des intensités des faisceaux moléculaires par une jauge à ionisation peut être améliorée dans le cas des films réalisés avec nettoyage, si bien que le réglage du rapport du cristal mixte peut être amélioré. Comme décrit précédemment, lorsqu'un appareil de croissance épitaxiale à l'aide de faisceaux moléculaires selon l'invention est utilisé, la jauge à ionisation et le dispositif de chauffage du substrat peuvent être nettoyés sans exposition de la chambre de croissance à l'atmosphère. En conséquence, la qualité du composé semi- conducteur résultant peut ère accrue. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de croissance épitaxiale d'un composé semi-conducteur sur un substrat, à l'aide de faisceaux moléculaires, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre de croissance (11), un dispositif (15) placé dans la chambre de croissance (11) et destiné à former des faisceaux molécu- laires de matériaux sources du composé semi-conducteur, de manières indépendantes, un dispositif (12) placé dans la chambre de croissance (11) et destiné à mesurer les intensités des faisceaux moléculaires, un dispositif (13) placé dans la chambre de croissance (11) et destiné à chauffer le substrat à une température de croissance du composé semiconducteur, un dispositif (35) de chauffage du dispositif de chauffage de substrat (13) et du dispositif de mesure (12), destiné à provoquer l'évaporation des matériaux d'impuretés, comprenant les matériaux sources déposés sur le dispositif de chauffage du substrat (13) et sur le dis- positif de mesure (12) après la croissance du composé-semi- conducteur, et un dispositif (18, 20) destiné à mettre sous vide la chambre de croissance (11). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage et d'évaporation (35) comporte un organe de chauffage (51) destiné à pénétrer dans la chambre de croissance (11) et à en sortir, l'organe de chauffage (51) ayant une forme permettant le logement du dispositif (13) de chauffage du substrat et du dispositif de mesure (12>. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage (51) est placé entre deux parois cylindriques réfléchissantes (52). 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (13) de chauffage du substrat et le dispositif de mesure (12) sont montés aux deux extrémités d'une tige rotative (14) de support. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (18, 20) de mise sous vide comporte une pompe cryogénique (20) et une pompe ionique (18).