Brevet FR2591616A1 — publié le 19870619

CHAMBRE DE REACTEUR POUR CROISSANCE EPITAXIALE EN PHASE VAPEUR DES MATERIAUX SEMICONDUCTEURS L'invention concerne une chambre de réacteur pour effectuer la croissance épitaxiale en phase vapeur de couches de matériaux semiconducteurs sur des substrats semiconduc- teurs, cette chambre étant principalement constituée d'un tube contenant un suscepteur pour le substrat, tube dans lequel circule d'une extrémité vers l'autre extrémité des composés gazeux sous une pression et une température appropriées à ob- tenir la croissance épitaxiale des couches monocristallines sur le substrat. L'invention trouve son application dans la réali- sation de composants discrets tels que: lasers à semiconduc- teurs, photo-diodes, photo-cathodes, transistors à effet de champ, transistors bipolaires à hétérojonction, et dans la réalisation de circuits intégrés réunissant un ou plusieurs type de ces composants. Un état de l'art, concernant la réalisation de couches épitaxiales en phase vapeur, de matériaux du groupe III-V est bien décrit dans la revue ACTA ELECTRONICA, 21, 2, 1978. L'article de L. Hollan, intitulé "La croissance épita- xiale de GaAs en phase vapeur" p.117-127, et l'article de J.P. Hallais, intitulé "Croissance épitaxiale de semiconduc- teurs III-V à partir de composés organométalliques et d'hy- drures" p. 129-138, donne le premier l'enseignement pour réa- liser des couches épitaxiales sur substrat GaAs par la méthode en phase vapeur, aux chlorures, et le second pour réaliser de telles couches par la méthode en phase vapeur aux organomé- talliques. D'autres articles de la même revue traite le cas du phosphure d'indium et du nitrure de gallium. Les méthodes généralement employées ont en commun l'introduction, dans un réacteur, de composés gazeux à partir desquels, est effectuée la croissance en phase vapeur. Ce - 2 - réacteur a en général la forme d'un tube en quartz. Les subs- trats, ou amorces, sont disposés dans le tube, sur un porte- échantillon, ou suscepteur. Les couches monocristallines croissent sur les substrats au passage des composés gazeux. Les documents cités comme état de la technique enseignent (p.132) que la vitesse de dépôt dépend essentiellement de la composition du flux gazeux, mais non pas de la température de dépôt. On notera (p.130) que dans la méthode dite au organo- métalliques, des réacteurs à parois froides sont recommandés. Dans le domaine des dispositifs semiconducteurs réalisés à partir des composés du groupe III-V, la qualité des couches épitaxiales est de la plus haute importance pour ob- tenir un bon rendement de fabrication. Comme les dispositifs semiconducteurs réalisés à partir de matériaux du groupe III-V sont appelés à prendre un grand développement dans l'avenir, il est évidemment recherché d'améliorer la qualité des couches dont sont faits ces dispo- sitifs, dans le but de faciliter l'obtention de ces derniers. Une des méthodes consiste donc à améliorer la qualité des couches épitaxiales. Or dans l'état actuel de la technique, ces cou- ches ne sont généralement pas uniformes en épaisseur. On cons- tate que les couches réalisées par épitaxie en phase vapeur sont plus épaisses du côté o le flux gazeux entre dans la chambre du réacteur, que du côté o il sort. On constate en outre que non seulement la vitesse de croissance n'est pas constante tout le long de l'axe de l'échantillon, mais encore que la diminution de cette vitesse n'est pas linéaire. La courbe des vitesses de croissance tracées en fonction de la distance mesurée sur l'axe de l'échantillon parallèlement au flux des gaz, est une courbe décroissante, et dont la pente décroît également. C'est pourquoi, la présente invention propose un dispositif qui permet d'améliorer l'uniformité des couches épitaxiales réalisées en phase vapeur, et donc la qualité des - 3- dispositifs semiconducteurs réalisés à l'aide de ces couches. Selon la présente invention le but est atteint à l'aide d'une chambre de réacteur telle que décrite dans le préambule, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un dispo- sitif de pilotage de la température de la paroi de la chambre opposée au suscepteur, dite plafond de la chambre, pour provo- quer des variations du profil de dépôt de la couche épitaxiale réalisée sur le substrat. Dans un cas cette chambre pourra être caractéri- sée en ce que la température du plafond est pilotée pour ob- tenir une diminution linéaire uniforme du taux de croissance des couches parallèlement à la direction dite longitudinale de circulation du flux gazeux, lorsque l'échantillon est immo- bile. Dans un autre cas, cette chambre pourra être ca- ractérisée en ce que la température du plafond est pilotée pour obtenir pour la couche épitaxiale, lorsque l'échantillon est immobile, un profil de dépôt selon une fonction antisymé- trique par rapport à un point de l'échantillon pris comme ori- gine. Dans un autre cas, cette chambre est caractérisée en ce que la température du plafond est pilotée pour obtenir pour la couche épitaxiale, lorsque l'échantillon est immobile, un profil de dépôt convexe dans la direction perpendiculaire au flux gazeux. En outre, cette chambre pourra être caractérisée en ce que le suscepteur d'échantillon est soumis à une rota- tion par rapport à un axe perpendiculaire à son plan, placé au centre d'antisymétrie du profil obtenu en l'absence de rota- tion, de sorte que l'uniformité du dépôt est obtenu. Donc selon la présente invention, le pilotage de la température du plafond produit une action sur le profil du dépôt de la couche épitaxiale, au contraire des essais qui avaient été pratiqués dans l'art antérieur et qui montraient que la vitesse de dépôt ne dépend pas de la température de - 4 - dépôt et que d'autre part, dans l'une des deux méthodes préco- nisées (aux organométalliques) il était recommandé d'éviter l'échauffement des parois du réacteur. Ainsi selon l'inven- tion, des couches, soit homogbnes, soit d'épaisseur constante, peuvent être obtenues. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante illustrée par les figures annexées dont: - la figure i qui représente la chambre de dépôt d'un réacteur d'épitaxie en phase vapeur; - la figure 2 qui représente la courbe de vitesse de dépôt épitaxial sur un substrat en fonction de la distance mesurée sur l'échantillon parallèlement au flux des gaz: a) en trait plein lorsque la chambre n'est pas pourvue du dispositif de contrôle de la température, selon l'invention, b) en trait discontinu, lorsque la chambre est pourvue du dispositif de contrôle de la température selon l'invention; - la figure 3 qui représente une courbe de varia- tion de la température du plafond en fonction de la distance mesurée parallèlement à la direction du flux des gaz, dans une chambre munie du dispositif de contrôle selon l'invention; - les figures 4 qui montrent la relation entre la linéarité de la vitesse du dépôt en l'absence de rotation du suscepteur et la constante de la vitesse du dépôt en présence de la rotation du suscepteur dans une chambre d'épitaxie selon l'invention; - les figures 5 qui montrent respectivement, pour la figure 5a les isothermes en fonction de la distance mesurée le long de l'échantillon chauffé, les isobares pour la figure b, et le profil des vitesses pour la figure 5c; - la figure 6 qui montre un exemple de taux de croissance dont la courbe représentative en fonction de la distance mesurée le long de l'échantillon est une fonction an- tisymétrique, si l'on prend la position de l'axe de rotation -5- comme origine. Telle que représentée sur la figure i la chambre i de dépôt d'un réacteur pour l'élaboration de couches épita- xiales est essentiellement formée d'une partie d'un tube en quartz, et peut être de section rectangulaire. Au niveau de la paroi inférieure 10 de la chambre est disposé un support d'échantillon, dit suscepteur 11il du substrat 12. La paroi supérieure ou plafond 20 de la chambre est très rapprochée de l'échantillon. La distance mesurée entre la surface de l'échantillon et le plafond est d. Le flux P des composés gazeux nécessaires à la croissance épitaxiale est parallèle à la surface de l'échan- tillon. L'entrée et la sortie des gaz sont situées de part et d'autre de l'échantillon. La distance mesurée le long de l'échantillon selon la direction du flux 0 est D. Dans l'exemple considéré ici, de réalisation de couches épitaxiales sur un substrat monocristallin massif 12 en arséniure de gallium (GaAs) ou en phosphure d'indium (InP), le flux D des composés gazeux est en grande partie constitué d'hydrogène (H2) auquel est mélé de l'arsine (AsH3) et/ou de la phosphine (PH3) et/ou un composé organométallique d'un élé- ment du groupe III. En effet, si les éléments du groupe V se trouvent facilement sous forme volatile, en revanche les éléments du groupe III, qui n'ont pas une tension de vapeur utilisable pour le transport à la température de croissance, doivent être introduits par exemple sous forme de chlorures, ou encore sous forme d'un composé organométallique. Le gaz hydrogène est uti- lisé au titre de gaz vecteur. La température de croissance des couches épitaxiales réalisées à partir de ces éléments de dé- part est située entre 500 et 850'C. Le porte-échantillon, par exemple en graphite, muni-d'un substrat par exemple en arséniure de gallium (GaAs) est porté à une température dans la gamme des températures ci- tées, et cette température est contrôlée par exemple par -6- thermocouple. Les publications citées comme état de la tech- nique enseignent que la vitesse de croissance ne dépend pas de la température d'épitaxie dans la gamme 500 à 850-C. Cependant, on constate comme il est montré sur la courbe en trait plein a) de la figure 2, que la vitesse de croissance V (en nm/S) donnée en fonction de la distance D (en cm) mesurée le long de l'axe d'un échantillon parallèlement à la direction du flux des composés gazeux, n'est pas constante. Cette courbe montre que la vitesse de croissance est très élevée du côté o sont introduits les composés gazeux et qu'elle diminue d'abord très vite puis plus lentement du côté de l'échantillon situé vers la sortie du flux gazeux. Donc, non seulement la vitesse de croissance di- minue, de l'entrée vers la sortie du flux gazeux, mais encore cette diminution n'est pas linéaire, la courbe a) montrant une pente qui est également décroissante en fonction de la dis- tance mesurée le long de D. Selon l'invention, un dispositif de contrôle 30 de la température de la paroi 20 opposée au suscepteur d'échantillon, ou plafond de la chambre, est installé. Ce dispositif est, de façon avantageuse constitué par un dispositif de chauffage du plafond de la chambre de dépôt, qui pourra être réalisé au moyen de résistances chauf- fantes. Cependant selon l'invention, le chauffage du plafond de la chambre n'est pas réalisé uniformément. La température du plafond de la chambre est contrôlée en pilotant ce dispo- sitif de chauffage de manière à obtenir au contraire à la sur- face de ce plafond une répartition non uniforme de la tempé- rature. En faisant varier le pilotage du dispositif de chauffage du plafond de la chambre, et donc en imposant une répartition non uniforme de la température de ce plafond, de façon contrôlée, on atteint le but qui était visé, à savoir une diminution linéaire uniforme de la vitesse de croissance des couches dans la direction de circulation du flux gazeux. -7 - On obtient donc la courbe b) de la figure 2, représentée en trait discontinu et obtenue dans les mêmes conditions de tem- pérature du suscepteur et de pression des gaz. La figure 3 montre un profil de la température T contrôlée du plafond de la chambre qui est particulièrement favorable à l'obtention d'une courbe b) de la figure 2 dé- croissant linéairement. Cette courbe de la figure 3 est glo- balement croissante en fonction de la distance mesurée sur l'axe de l'échantillon dans la direction du flux. De façon avantageuse, elle présente même une pente décroissante en fonction de la distance mesurée le long de D. I1 est évident que l'obtention d'un profil idéal de la courbe de température du plafond, représentée figure 3, est éminemment fonction: - de la température de croissance, - de la température du suscepteur, - de la pression totale des gaz, - des pressions partielles des gaz, - du type de matériau à déposer, - de la dimension de la chambre de dépôt. Ces paramètres qui sont nombreux, rendent néces- saire un étalonnage préalable du dispositif de contrôle de la température pilotée du plafond de la chambre, ou encore l'em- ploi d'un petit programme d'ordinateur pour le pilotage du chauffage du plafond de la chambre. De telles techniques sont coutumières de l'homme du métier et ne requiert pas d'autres travaux que l'étalonnage pas à pas, ou par programme, jusqu'è l'obtention de la courbe b) de la figure 2, décroissant linéairement. Lorsque la linéarité de la diminution du taux de croissance est obtenue, les figures 4 montrent clairement com- ment, alors par simple rotation de l'échantillon, ce dernier voit croître sur sa surface une couche d'épaisseur constante. En effet, en l'absence de rotation, l'échantillon 12 recevrait en son centre O une couche d'épaisseur e, et deux - 8 - points de l'échantillon situés respectivement à la distance + Ax du point O, et la distance - Ax du point 0, recevraient une couche d'épaisseur respectivement e - be, et e + Ae (fi- gure 4a). Lorsque l'échantillon 12 est soumis à une rota- tion au moyen de son suscepteur Il, qui tourne autour d'un axe perpendiculaire à son plan, le manque d'épaisseur - A e est compensé par la surépaisseur + Ae, et l'épaisseur de la couche qui croit sur l'échantillon est constante et égale à e. Dans un exemple de réalisation o la distance d entre l'échantillon et le plafond 20 est 0,5 cm, o la tempé- rature de dépôt est T('C), o la pression partielle d'organo- métallique est p en Bar, et v la vitesse du gaz en unités ar- bitraires, les figures 5 montrent respectivement, dans la coupe de la figure l, le relevé des isothermes (figure 5a), les isobares de pression partielle d'organométalliques norma- lisées à la pression partielle d'entrée (figure 5b), les pro- fils de vitesse du gaz en unités arbitraires (figure 5c). La distance D mesurée le long de l'échantillon est notée à partir du début 0 du porteéchantillon chauffé. On notera que les profils de vitesse deviennent très peu différents d'une parabole parfaite. L'écoulement des gaz est laminaire. Dans un autre exemple de réalisation cependant, l'écoulement des gaz pourrait être turbulent et l'invention parfaitement applicable. Dans une première variante de l'invention, on ne cherchera pas à obtenir par pilotage de la température du pla- fond, une courbe de diminution du taux de croissance qui est linéaire et uniforme, comme représentée figure 2b. On cherchera au contraire à-obtenir que la dévia- tion du taux de croissance par rapport au centre de rotation soit une fonction antisymétrique dont l'origine est repérée par rapport au centre de rotation. Une telle fonction est par exemple représentée par la courbe de la figure 6. Dans le cas o l'on obtient par chauffage du plafond, un taux de crois- sance tel que celui représenté figure 6, alors, par rotation _9 _ de l'échantillon autour d'un axe 9 placé en 0, l'uniformité de l'épaisseur de la couche peut être obtenue. Dans une seconde variante de l'invention, on par- tira simplement de la constation déduite de la courbe de la figure 2a, que la couche déposée sur l'échantillon, lorsque la température du plafond n'est pas pilotée, présente un profil d'épaisseur concave, dont la concavité est tournée vers le porte-échantillon, en sorte que les bords de la couche sont plus épais que le centre, en cas de rotation de l'échantillon. Au moyen du pilotage de la température du plafond de la chambre, on cherchera à atteindre le but de rendre le profil d'épaisseur de la couche convexe dans la direction latérale, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction des flux gazeux. Ceci peut être obtenu par exemple en plaçant des résistances chauffantes à proximité du plafond de la chambre, dans la direction longitudinale, de telle sorte que les isothermes au plafond sont alors orientés parallèlement au flux. Lorsque ce nouveau profil d'épaisseur de couche est ainsi obtenu, alors par rotation de l'échantillon on ob- tient la compensation de l'épaisseur du dépôt, et par là une couche uniforme. Ces différentes méthodes proposées présentent l'avantage que l'on peut adapter le profil thermique du pla- fond, aux conditions expérimentales, ainsi qu'à la nature du matériau à déposer. De cette manière, on peut obtenir soit des cou- ches d'épaisseur uniforme, soit des couches de composition ho- mogène, ou de dopage homogène, sans disposer de réacteur dif- férent, mais en faisant simplement varier le pilotage élec- trique du chauffage du plafond de la chambre du réacteur. - 10 - REVENDICATIONS: 1. Chambre de réacteur pour effectuer la croissance épitaxiale en phase vapeur de couches de matériaux semiconduc- teurs sur des substrats semiconducteurs, cette chambre étant principalement constituée d'un tube contenant un suscepteur pour le substrat, tube dans lequel circule d'une extrémité vers l'autre extrémité des composés gazeux sous une pression et une température appropriées à obtenir la croissance épita- xiale des couches monocristallines sur le substrat, caracté- O10 risée en ce qu'elle est équipée d'un dispositif de pilotage de la température de la paroi de la chambre opposée au suscep- teur, cette paroi étant dite plafond de la chambre, pour pro- voqber des variations du profil de dépôt de la couche épita- xiale réalisée sur le substrat. 2. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que la température du plafond est pilotée pour obtenir une diminution linéaire uniforme du taux de croissance des couches parallèlement à la direction dite longitudinale de circulation du flux gazeux, lorsque l'échantillon est immo- bile. 3. Chambre selon la revendication l, caractérisée en ce que la température du plafond est pilotée pour obtenir pour la couche épitaxiale, lorsque l'échantillon est immobile, un profil de dépôt selon une fonction antisymétrique par rapport à un point de l'échantillon pris comme origine. 4. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que la température du plafond est pilotée pour obtenir pour la couche épitaxiale, lorsque l'échantillon est immobile, un profil de dépôt convexe dans la direction perpendiculaire au flux gazeux. 5. Chambre selon l'une des revendications 1 à 4, ca- ractérisée en ce que le suscepteur d'échantillon est soumis à une rotationspar rapport à un axe perpendiculaire à son plan, placé au centre d'antisymétrie du profil obtenu en l'absence de rotation, de sorte que l'uniformité du dépôt est obtenue. - 11 - 6. Chambre selon l'une des revendications i à 5, ca- ractérisée en ce que le chauffage du plafond de la chambre est obtenu au moyen de résistances chauffantes et en ce que le pi- lotage de la température du plafond est obtenu par le contrôle de la température de ces résistances. 7. Chambre selon l'une des revendications 1 à 6, ca- ractérisée en ce qu'elle est appliquée à la réalisation de couches épitaxiales de matériaux du groupe III-V sur un subs- trat du groupe III-V par la méthode dite aux organométalliques pour obtenir des couches soit de propriétés homogènes soit d'épaisseur uniforme.