Brevet FR2573917A1 — publié le 19860530

Appareil et procédé de dépôt à la vapeur pour la réali- sation de semi-conducteurs ". La présente invention concerne un appareil et un procédé de dépôt à la vapeur pour la réali- sation de semi-conducteurs. Domaine de l'invention: La présente invention concerne le domaine des dépôts de couches de matières semi-conductri- ces sur une plaquette semi-conductrice par un procédé de dépôt chimique à la vapeur (encore appelé "procédé CVD" ou un procédé de dépôt chimique à la vapeur métal-matière organique (procédé MOCVD). Description de l'art antérieur: Selon l'art antérieur, on connaît deux types distincts d'appareils de dépôt à la vapeur. L'un des types comprend un tube de réaction généralement en quartz et placé horizontalement; le gaz de réaction traverse ce tube d'une extrémité à l'autre. A l'intérieur du tube de réaction, il y a une plaque de support ou récepteur pour porter une plaquette semi-conductrice ou analogue, support sur lequel on place les produits de réaction à développer par croissance épitaxiale. Le récepteur est chauffé par une bobine haute fréquence de façon que le support ou plaquette atteigne une température appropriée pour le dépôt du composé formant la couche semi- conductrice sous la forme d'une couche épitaxiale sur la plaquette. Le second type d'appareil de dépôt à la vapeur selon l'art antérieur utilise une chambre de réaction par exemple en forme de cloche ayant un axe longitudinal; le gaz de réaction est envoyé de la partie supérieure de la cloche vers la partie inférieure. Une plaque de support formée d'un récepteur sur lequel est placée une plaquette semi-conductrice est située essen- tiellement perpendiculairement à la direction d'intro- duction du gaz de réaction. Dans ce type d'appareil, le récepteur tourne dans un plan horizontal pendant son chauffage; le gaz de réaction tombe verticalement sur la plaquette. Alors que l'appareil de dépôt se présente sous la forme d'un tube de réaction horizontal ou longitudinal, on rencontre fréquemment le défaut de la difficulté à réaliser une croissance épitaxiale uniforme sur la plaquette semi-conductrice. Dans le cas de l'appa- reil horizontal, comme la plaquette semi-conductrice est placée principalement suivant les lignes d'écoulement de la veine de gaz de réaction, il y a une différence de vitesse de développement entre les parties en aval et celles qui sont en amont de l'entrée. Une telle différence de vitesse de croissance devient perceptible si l'on augmente le nombre de plaquettes semi-conductrices. Dans l'appareil à chambre longitu- dinale, on a des inconvénients car la vitesse de crois- sance à la vapeur est différente dans la direction radiale du récepteur et la composition de la couche de croissance épitaxiale n'est pas uniforme. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et se propose de créer un procédé et un appareil de dépôt à la vapeur utilisables pour les procédés de dépôt à la vapeur chimique métal/matière organique ou autres procédés de dépôt chimique à la vapeur. L'invention se propose de créer un appareil permettant de déposer une couche à la vapeur, qui soit d'épaisseur et de composition uniformes sur la plaquette. Par l'utilisation de l'appareil de l'invention, on se propose d'obtenir une vitesse de - - croissance à la vapeur et une composition de la couche ainsi développée sur le support qui soient uniformes. L'appareil et le procédé de l'invention doivent également éviter les inconvénients tels qu'une croissance polycris- talline ou analogue au cours de la croissance épitaxiale. Selon une caractéristique de l'in- vention, on utilise un gaz de réaction contenant des composés qui se décomposent dans les conditions de réac- tion pour former la couche semi-conductrice recherchée; ce gaz traverse un tube de réaction tel qu'une cloche de type longitudinal disposée verticalement; le passage du gaz se fait de la partie supérieure à la partie inférieu- re de la chambre de réaction pour que l'écoulement du gaz se fasse essentiellement dans la direction verticale. Un ensemble de tables de support ou récepteurs pour recevoir les supports en forme de plaquettes sur lesquels on veut développer les couches à la Vapeur sont placés de façon concentrique autour de l'axe central du tube de réaction dans lequel passe le gaz de réaction et avec un angle qui n'est ni perpendiculaire à la direction principale d'écoulement du gaz de réaction, ni parallèle à cette direction mais présente une inclinaison prédéterminée dans les deux directions. Ainsi en liaison avec les récepteurs, on a un moyen pour faire tourner les récep- teurs correspondants autour de leur axe pendant qu'ils sont inclinés comme indiqué ci-dessus par rapport aux plans de support. Pendant que les récepteurs tournent autour de l'axe incliné, ils tournent également dans le tube de réaction suivant un plan essentiellement horizon- tal c'est-a-dire un plan essentiellement normal à la direction d'écoulement des gaz de réaction à l'intérieur du tube. Comme les récepteurs portant les plaquettes semi-conductrices tournent autour- de leur propre axe et avec une inclinaison prédéterminée par rapport à la veine d'écoulement des gaz de réaction, la plaquette semiconductrice de chacun des récepteurs ren- contre la veine de gaz de réaction dans des conditions essentiellement uniformes. C'est pourquoi, la vitesse de croissance et la composition deviennent uniformes pour toutes les plaquettes semi-conductrices et les parties dans chaque plaquette semi-conductrice. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation préférentiel représenté dans les dessins annexés. DESCRIPTION RESUMEE DES DESSINS: - la figure 1 est une vue très sché- matique d'un appareil selon l'art antérieur de type horizontal pour effectuer des dépôts de vapeur chimiques. - la figure 2 est un autre schéma d'un appareil de l'art antérieur du type vertical pour mettre en oeuvre des procédés de dépôt à la vapeur. - la figure 3 est une coupe trans- versale, axiale d'un mode de réalisation d'un appareil de dép&t à la vapeur selon la présente invention. DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION PREFERENTIEL DE L'INVENTION: Un appareil de dépôt à la vapeur selon l'art antérieur utilisé dans les procédés de dépôt chimique à la vapeur tels que le procédé MOCVD est repré- senté à la figure 1. L'appareil de dépôt à la vapeur selon l'art antérieur se compose d'un tube de réaction 1, horizontal, en quartz dans lequel on fait-passer un gaz de réaction, d'une extrémité à l'autre comme cela est représenté par les flèches. A l'intérieur du tube de réaction, on a une plaque de support ou récepteur 3 en graphite ou analogue pour recevoir une plaquette semi- -5 conductrice 2 (support) sur laquelle se fait la croissance épitaxiale par dépôt de vapeur. Le gaz de réaction balaie la surface de la plaquette semi-conductrice 2 comme cela est représenté. Le récepteur 3 est chauffé par un enroule- ment à haute fréquence 4. La plaquette semi-conductrice 2 portée par le récepteur 3 est ainsi chauffée à une tempé- rature prédéterminée; ainsi, on développe de façon épi- taxiale une couche CVD correspondante telle qu'une couche semi-conductrice composée sur la plaquette semi-conductri- ce 2 par décomposition thermique du gaz de réaction pas- sant sur la plaquette semi-conductrice 2 et venant en contact avec celle-ci. Un second type d'appareil de l'art antérieur est représenté à la figure 2. Cet appareil se compose d'une chambre de réaction placée sous une cloche en quartz ou analogue dans laquelle on introduit le gaz de réaction à partir de l'extrémité supérieure jusqu'à l'extrémité inférieure comme cela est représenté par les flèches. Une plaque de support telle qu'un récepteur 3 porte une plaquette semi-conductrice 2 de façon normale à la veine de gaz de réaction c'est-à-dire que la pla- quette est dans un plan horizontal; le récepteur 3 tourne dans le plan horizontal. Les deux appareils de l'art antérieur tels que représentés présentent l'inconvénient d'avoir une vitesse de dépôt et de croissance qui varie et que la composition de la matière déposée risque d'être non uniforme. Dans l'appareil selon la présente invention comme représenté à la figure 3, on a un tube de réaction 11, de type longitudinal constitué par exem- ple par une cloche en quartz. Une conduite d'alimentation 12 pour le gaz de réaction est prévue à l'extrémité supé- rieure du tube de réaction 11 essentiellement suivant son axe; une sortie 13 est prévue dans la partie inférieure du tube de réaction 11 par exemple d'un côté de celui-ci. De cette manière, la veine principale du gaz de réaction s'écoule essentiellement suivant l'axe du tube de réac- tion 11 indiqué par la ligne en traits mixtes. Un moyen de support avec un arbre de rotation 14 est monté suivant cet axe; cet arbre peut tourner librement autour de l'axe en étant entraîné par un moteur 15. L'extrémité supérieure de l'arbre de rotation 14 porte de façon pivotante un ensemble de tables 17 de support en forme de disques constituant les récep- teurs portant les plaquettes semi-conductrices 16. Les récepteurs 17 sont répartis de façon équi-angulaire autour de l'arbre de rotation 14. Par exemple pour trois récep- teurs 17, ceux-ci sont écartés d'un angle égal à 120 autour de l'arbre de rotation 14. Chaque récepteur est disposé de façon que le plan sur lequel se.trouve la plaquette semi-conductrice 16 soit tourné vers la surface de la paroi intérieure du tube de réaction 11 suivant une inclinaison comprise entre la direction horizontale et la direction verticale. Chaque récepteur 17 est placé pour que son axe perpendiculaire à sa surface plane c'est-à-dire à la direction du plan portant la plaquette semi-conductrice, coupe la direction d'écoulement prin- cipale du gaz de réaction ou que la direction verticale se trouve à un angle prédéterminé e, par exemple compris entre 80 et 10 . Chaque récepteur 17 pivote autour de son axe de rotation 14 de façon à pouvoir tourner libre- ment grâce à un bossage 19 ayant une cavité cylindrique à l'arrière du récepteur 17. Un arbre cylindrique 18 partant de l'arbre de rotation 14 est logé dans le bossage 19. Des moyens sont prévus pour faire tourner chacun des récepteurs 17 le long de son axe propre. Le moyen de rota- tion peut être par exemple une denture conique 20 à la périphérie extérieure de chaque récepteur 17 en forme de disque et qui engrène avec une couronne dentée 21 située autour de l'axe de rotation 14 et concentrique à celle-ci. La couronne dentée 21 est située dans le plan horizontal perpendiculaire à l'axe de rotation 14. La référence 22 désigne un enroule- ment haute fréquence. Lorsque l'enroulement 22 est alimenté en énergie haute fréquence, il chauffe le récepteur 17 par effet d'induction de façon à chauffer ainsi la pla- quette semi-conductrice à une température prédéterminée. Le récepteur 17 placé dans le tube de réaction 11 est en graphite ou en carbure de silicium (SiC) et l'arbre de rotation 14, la couronne dentée 21 et le pignon conique 20 sont tous réalisés en quartz, graphite, céramique réfractaire ou en carbure de silicium SiC qui sont des matériaux inertes et n'engendrent pas de gaz formant des impuretés; de plus, ces matériaux ont de bonnes propriétés réfractaires. Le récepteur 17 peut être moulé en une seule pièce avec le pignon coni- que 20 prévu à sa périphérie extérieure; il peut égale- ment être réalisé séparément en un matériau différent de celui du plan de support destiné à recevoir la plaquette semi-conductrice 16 et le pignon conique 20 de la péri- phérie extérieure. Puis, ces pièces peuvent être réunies. Différents procédés de montage peuvent s'-utiliser. Lors- que le récepteur 17 en particulier le bossage 19 et l'arbre de rotation 14 en particulier l'arbre cylindrique 18 en saillie par rapport à celui- ci sont en graphite, le bossage 19 et l'axe 18 peuvent glisser doucement l'un par rapport à l'autre et le récepteur 17 peut tourner en douceur. Dans l'appareil de dépôt à la vapeur décrit ci-dessus, selon l'invention, lorsque la vapeur de réaction comporte des composants pour faire le composé semi-conducteur AlGaAs ainsi qu'un gaz vecteur tel que de l'hydrogène gazeux, le gaz de réaction peut être du triméthyl aluminium, du triméthyl gallium et de l'arsenic. Ce mélange de gaz de réaction est introduit dans le tube de réaction 11 par l'entrée d'alimentation 12 suivant un débit moléculaire prédéterminé. De cette manière, les gaz peuvent entrer en contact avec la plaquette semi- conductrice 16 placée sur le récepteur ou sur la table de support 17. L'arbre de rotation 14 est alors tourné par le moteur d'entraînement 15. Tous les récepteurs portés par l'arbre de rotation 14 tournent autour de l'arbre de rotation 14 en conservant une relation de position pré- déterminée pendant la rotation de l'arbre 14. En même temps, chacun des récepteurs 17 tourne autour de son axe propre par l'engrènement de la couronne dentée 21 et du pignon conique 20 à la périphérie du récepteur 17. En conséquence, pendant que chacune des plaquettes semi- conductrices 16 portées par les récepteurs tourne autour de son axe,-elle tourne également autour de l'axe du tube de réaction 11. Les parties respectives de chacune des plaquettes semi-conductrices 16 portées par les récepteurs 17 peuvent être balayées par la veine de gaz de réaction dans des conditions pratiquement identiques. Le récepteur 17 est représenté comme portant une seule plaquette semiconductrice 16. Il est évident que l'on peut utiliser pour chaque récepteur plusieurs plaquettes semi-conductrices 16. Comme décrit ci-dessus, la plaquette semi-conductrice 16 tournant autour de son axe ainsi qu'à l'intérieur du tube de réaction 11, toutes les pla- quettes semi-conductrices 16 peuvent être rencontrées de façon uniforme sur toute leur surface par le gaz de réaction. Il est ainsi possible d'éviter des défauts d'uniformité des vitesses de réaction et des compositions ainsi déposées. De plus selon la présente invention, comme le récepteur 17 est placé de façon que la surface de la plaquette semi-conductrice 16 ne soit pas tournée vers la veine de gaz de réaction, on peut éviter que le gaz de réaction ne séjourne à la surface de la plaquette semi-conductrice 16 et ainsi la plaquette semi-conductrice 16 touche toujours une nouvelle fraction de gaz de réac- tion, ce qui permet une croissance efficace à la vapeur. Ainsi, il est possible d'éviter les difficultés telles que la présence de substances polycristallines dans le procédé de croissance épitaxiale. Bien que le récepteur 17 tend de façon générale à avoir une température élevée à sa péri- phérie extérieure voisine de l'enroulement de chauffage 22, selon l'invention, la denture conique 20 de la péri- phérie extérieure du récepteur 17 engrène avec la couronne dentée 21 pour évacuer ainsi la chaleur. Le dép6t à la vapeur selon l'invention présente l'avantage que la diffé- rence de température entre la partie centrale et la partie périphérique extérieure du récepteur 17 peut être rendue très petite. C'est pourquoi, on a l'avantage que la réaction à la vapeur ou la croissance épitaxiale à la vapeur peuvent se faire de façon uniforme. 1.0 R E V E N D I CATI ONS 1 ) Appareildedép&tà la vapeur pour développer une couche par dépôt à la vapeur sur une pla- quette semi-conductrice, appareil caractérisé en ce qu'il se compose d'une chambre de réaction (11), d'un moyen d'alimentation'(12) pour introduire un gaz de réaction dans la chambre de réaction (11), un moyen de sortie (13) pour évacuer les gaz de réaction, usés hors de la chambre (11), un moyen de support placé dans la chambre de réac- tion (11), un moyen (15, 14) pour faire tourner le moyen de support (14) autour de son axe, un moyen de réception (17) prévu sur le moyen de support (14) et dont l'angle fait un angle aigu par rapport à l'axe du moyen de sup- port (14), ce moyen de réception pouvant recevoir une plaquette semiconductrice (16) et un moyen (21, 20, 18, 19) pour faire tourner le moyen de réception (17) autour de l'axe du support. 2 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de récep- teurs (17) répartis de façon concentrique autour du moyen de support (14) et le moyen d'alimentation (12) est prévu pour diriger le gaz de réaction essentielle- ment vers le bas vers les récepteurs disposés de façon inclinée. 3 ) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de récepteurs (17)- est placé de façon que les axes des récepteurs soient inclinés entre 10 et 80 par rapport à l'axe de rota- tion du moyen de support (14). 4 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche développée par crois- sance par dépôt à la vapeur est une couche de AlGaAs. ) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des récepteurs (17) est un récepteur en forme de disque avec un bossage (19) sur sa surface arrière, un arbre cylindrique (18) étant en saillie par rapport au moyen de support (14) pour être logé dans le bossage (19), un pignon conique (20) étant réalisé à la surface périphérique extérieure du récepteur (17) en forme de disque et une couronne dentée (21) en- grène avec le pignon conique (20) concentriquement à l'axe de rotation du moyen de support (14). 6 ) Appareil selon la revendication , caractérisé en ce que le récepteur (17) en forme de disque est en graphite. 7 ) Appareil selon la revendication , caractérisé en ce que le récepteur (17) en forme de disque est en carbure de silicium SiC. 8 ) Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couronne dentée (21) et le o pignon conique (20) sont réalisés en quartz, en graphite, en une céramique réfractaire ou en carbure de silicium SiC. 9 ) Procédé de développement d'une couche épitaxiale sur une plaquette semiconductrice, procédé caractérisé en ce qu'on place la plaquette (16) sur un récepteur (17) susceptible d'être chauffé par inductance par un rayonnement électromagnétique haute fréquence agissant dans une zone de réaction (11), on dirige (12) un gaz de réaction qui réagit aux conditions de température régnant dans la zone de réaction (11) pour former une couche sur-la plaquette (16), le gaz étant dirigé essentiellement dans le sens descendant à travers la zone de réaction (11il), on fait tourner le récepteur (17) et la plaquette (16) autour de l'axe du récepteur (17) pendant sa rotation autour d'un axe incliné à la fois par rapport à la direction horizontale et à la direction verticale de la zone de réaction et on fait tourner le récepteur (17) et la plaquette (16) au cours de cette réaction autour d'un axe de rotation (14) essentiellement vertical. ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le récepteur (17) est en graphite ou en carbure de silicium SiC. 11 ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le gaz de réaction contient des composés qui se décomposent pour former AlGaAs à la sur- face de la plaquette (16). 12 ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend le chauffage par induction du récepteur (17) à partir de l'extérieur de la chambre de réaction (11).