Brevet FR2604297A1 — publié le 19880325

FACTEUR DE DEPOT DE SILICIUM DOPE La présente invention concerne le domaine de la fabrication des circuits intégrés et plus particulièrement les étapes de dépôt de silicium polycristallin ou amorphe. tors de la fabrication de circuits intégrés, il existe généralement des étapes consistant à déposer du silicium polycristallin ou amorphe dopé pour réaliser des couches conductrices, par exemple des électrodes de grilles de transistors MOS, ces couches de silicium polycristallin dopé étant éventuellement ellesmemes recouvertes d'un siliciure métallique pour améliorer encore la conductivité. Dans l'art antérieur, le silicium polycristallin pour la métallisation de grilles de transistors MOS est généralement déposé par pyrolyse de silane (SiH4) sous basse pression dans un réacteur à paroi chaude ; c > est le procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression, couramment désigné par le sigle LPCVD (d'après l'appellation anglo-saxonne Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Le meilleur compromis actuel entre la vitesse de dépôt et l'obtention d'une microstructure satisfaisante du matériau est atteint pour une température de dépit située entre 620 et 6250C. Après dépôt, le matériau est dopé soit par diffusion soit par implantation ionique. Dans les technologies les plus récentes, par exemple celles à grilles en polysiliciure, ltépaisseur du silicium polycristallin se situe entre 180 et 200 nm. Pour ces couches peu épaisses, les procédes-classiques de dopage sont mal adaptés. La diffusion de POC13 (par exemple) est peu reproductible et peu homogène. Elle fournit un niveau de dopage trop élevé. La désoxydation de la surface du silicium déposé est difficile et des problèmes d'adhérence de la couche de siliciure déposée sur le silicium polycristallin peuvent apparaître å cause des résidus d'oxyde natif résultant de la phase de dopage.Si l'on utilise des techniques d'implantation, l'implantation ionique de phosphore ou d'arsenic dans des couches aussi minces est une opération délicate à cause du risque d'introduction du dopant dans le diélectrique de grille. En raison de ces divers inconvénients du dépôt de silicium polycristallin pur suivi d'une phase de dopage, on s'est orienté vers des procédés de dépôt direct de silicium polycristallin dopé (dépôt de silicium polycristallin dopé in situ). La technique de dopage in situ consiste à déposer le silicium par pyrolyse d'un mélange silane/phosphine (ou silane/arsine). Elle présente l'avantage de supprimer certaines étapes technologiques et d'éviter les inconvénients susmentionnés du dopage a posteriori. Néanmoins, elle est très peu utilisée car elle présente elle-même deux problèmes majeurs. D'une part, en présence de phosphine (PH3) ou d'arsine, la vitesse de dépôt diminue d'un facteur 10 environ et les temps de dépôt deviennent inacceptables (7 heures 30 environ pour une épaisseur de 450 nm). D'autre part, l'uniformité d'épaisseur des couches de silicium est fortement dégradée : les couches sont plus épaisses sur les bords qu'au centre des plaquettes. On considère que la faible vitesse de dépôt est due à un empoisonnement par le phosphore des sites d'adsorption du silane sur le silicium. Quant a la perte d'uniformité d'épaisseur on l'attribue généralement à la formation d'une espèce réactive dans la phase gazeuse SiH4-P113 portée a la température de dépôt. Cette espèce réactive formée dans la phase homogène se décompose très rapidement des qu'elle arrive au contact de la surface des substrats. Dans ces conditions, la vitesse de diffusion des espèces réactives est plus faible que la vitesse de la réaction de surface et le processus de transfert de matière en phase homogène (diffusion des produits réactifs vers la surface des substrats) devient le processus limitant la vitesse de dépôt.Les couches se déposent donc plus rapidement sur le bord des substrats plus facilement accessibles par les espèces réactives et l'uniformité d'épaisseur est dégradée. En partant de cette explication, on a tenté d'améliorer l'uniformité d'épaisseur en réduisant l'influence des réactions en phase homogène. Ainsi, dans les appareils de dépôt de silicium polycristallin dopé in situ disponibles actuellement sur le marché, on a tenté de minimiser l'interaction silane/phosphine en introduisant les gaz séparément dans le réacteur. Le silane est introduit directement dans le tube de réaction et la phosphine diluée dans un gaz porteur (couramment de l'argon ou de l'azote) arrive par deux injecteurs placés à l'intérieur du tube. Ces injecteurs constituent des rampes de distribution de gaz et le mélange PH3-SiH4 a lieu au voisinage des surfaces où l'on souhaite effectuer le dépôt.Toutefois, malgré la présence des injecteurs, l'uniformité d'épaisseur des couches n'est pas parfaite et la vitesse de dépôt reste faible. Pour augmenter cette vitesse de dépôt, on a été amené à effectuer le dépôt à des températures plus élevées (vers 65O0C au lieu de 620 à 6250C). Ceci ne permet plus le déPôt de silicium amorphe dopé in situ. En outre, les couches obtenues sont constituées de gros grains et ont une rugosité de surface importante. De plus, de façon générale, l'utilisation d'injecteurs dans un appareil de dépôt comporte toujours certains inconvénients liés par exemple au risque d'obstruction par des particules solides et demande des interventions de maintenance fréquentes. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir le dépôt de couches de silicium polycristallin ou amorphe dopé in situ par un dopant tel que de l'arsenic ou du phosphore avec une uniformité d'épaisseur et une vitesse de dépôt élevées. Un autre objet de la présente invention est de permettre un tel dépôt simultanément sur un grand nombre de plaquettes de circuits intégrés. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un réacteur de dépôt de silicium polycristallin dopé par un produit tel que le phosphore ou l'arsenic sur des plaquettes de circuits intégrés, ce réacteur comprenant un tube cylindrique chauffé muni à une extrémité d'une entrée pour les gaz actifs et à son autre extrémité d'une sortie d'évacuation, les plaquettes disposées sensiblement verticalement étant perpendiculaires à l'axe au tube et centrées par rapport à celui-ci. Dans ce réacteur, des plaques intercalaires parallèles auxdites plaquettes et centrées de la même façon sont régulièrement disposés entre ces plaquettes, le diamètre des plaques étant supérieur de 10 à 40 Z, par exemple de l'ordre d'environ 25 %, à celui des plaquettes. D'autre part, la dimension de la couronne formée entre le diamètre externe des plaques et la paroi interne du tube est choisie pour que ltécoulement des gaz réactifs soit laminaire et s'effectue selon un régime linéaire, à une vitesse supérieure à 5 mètres par seconde. En d'autres termes, étant donné les dimensions classiques d'un réacteur, le temps de résidence des gaz réactifs dans la partie annulaire est inférieur à 0,2 seconde. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente de façon très schématique une vue en coupe d'un réacteur selon la présente invention ; et la figure 2 représente une vue en perspective d'une nacelle utilisable dans un réacteur selon l'invention. Comme le représente la figure 1, la présente invention utilise un réacteur 1 de configuration classique disposé dans un four. Ce réacteur comprend du côté de l'une de ses extrémités des entrées de gaz 2 et 3 et à son autre extrémité une ou plusieurs sorties de pompage 4. Des moyens 6 disposés au deux extrémités du tube permettent de l'ouvrir pour y introduire et en extraire des nacelles porte-substrats. Selon l'invention, une telle nacelle (figure 2) comprend des moyens pour supporter et introduire dans le tube des plaquettes 10 sur lesquelles on souhaite former le dépôt de silicium polycristallin dopé et, entre ces plaquettes, des plaques 11. Dans l'exemple représenté, les plaquettes 10 sont accolées de part et d'autre de chaque plaque 11. Selon l'invention, les plaques 11 ont un diamètre supérieur à celui des plaquettes 10. La figure 2 représente une vue en perspective d'une nacelle en quartz 20 adaptée à la mise en oeuvre de la présente invention. Elle comporte cinq tiges 21 à 25 solidaires à leurs extrémités où elles portent des roulettes 26 pour faciliter l'introduction de la nacelle dans le tube 1. La tige inférieure centrale 23 et les tiges supérieures 24 et 25 sont munies d'une succession d'encoches 27 disposées dans des plans verticaux. Chaque encoche 27 a une largeur correspondant à la somme des épaisseurs de deux plaquettes 10 et d'une plaque 11 et une profondeur adaptée au maintien en position des plaquettes 10. En outre, chaque encoche 27 est prolongée à sa partie centrale d'une encoche plus profonde 28, d'une largeur sensiblement égale à celle des plaques 11 et d'une profondeur adaptée au maintien en position de ces plaques. Dans un exemple de réalisation, le réacteur est constitué d'un tube de quartz horizontal de 153 mm de diamètre intérieur. La nacelle porte-substrat permet de placer 57 plaques 11 de 125 mm de diamètre, ces plaques 11 étant ellesmêmes des plaques de silicium pour n'introduire aucune pollution dans le réacteur. Le diamètre de ces plaques est adapté au diamètre intérieur du tube de telle sorte que les gaz réactifs circulant dans le tube présentent dans la couronne annulaire comprise entre le diamètre externe des plaques et le diamètre interne du tube un écoulement laminaire. De part et d'autre de chaque plaque est diposée une plaquette de silicium de 100 mm de diamètre. Les plaquettes sont centrées par rapport aux plaques qui sont ellesmêmes sensiblement centrées sur l'axe 13 du tube du réacteur.Avec ces dinensions, il est possible de charger 114 plaquettes de 100 mm sur une nacelle intérieure du tube. Dans le tube, sont injectés par les orifices d'accès 2 et 3, d'une part du silane (six4), d'autre part de la phosphine (PH3) diluée dans de l'azote ou de l'argon. Ces gaz pourraient aussi être mélangés immédiatement avant leur introduction dans le tube et être introduits par un seul orifice. La vitesse de circulation des gaz dans les tubes entre les orifices d'entrée 2, 3 et l'orifice de sortie 4 est telle que la vitesse linéaire des gaz est très supérieure à celle permise par les réacteurs munis d'injecteurs. De préférence, cette vitesse est supérieure à 5 m/s, c' est-è-dire que le temps de résidence des gaz dans le tube est inférieur à 0,2 s. Dans un exemple de réalisation, le débit total est de l'ordre de 300 à 500 cm3 par minute. Ces diverses caractéristiques de l'invention seront exposées plus en détail dans le cadre des exemples suivants. EXEMPLE 1 : DEPOT DE SILICIUM POLYCRISTALLIN DOPE AU PHOSPHORE. Le four est maintenu à 620"C. La nacelle est chargée de 57 plaques de 125 mm de diamètre et de 114 plaquettes de 100 mm de diamètre. Le vide limite dans le tube est d'abord maintenu à une pression de l'ordre de 10-3 torr (0,133 pascal). Après avoir purgé l'installation par un courant d'azote, les gaz réactifs sont introduits dans le réacteur. Les débits sont les suivants - SiH4 : 190 cm3/min - PH3 dilué a 1 Z dans de l'azote : 5Gcm3/min. Dans ces conditions, la vitesse de dépôt a été de 3 à 4 nm/min. L'épaisseur de silicium déposé a été d'environ 300 nm après 1 h 30 de dépôt. L'uniformité d'épaisseur des couches était meilleure que + 5 Z sur plus de 100 plaquettes. Après dépôt, la résistivité du silicium était de l'ordre de 10 2 ohm-cm. Après un recuit à 9000C pendant 30 minutes sous azote, elle est de 10 3 ohm-cm. Après avoir fermé l'arrivée de gaz réactifs, le réacteur a été évacué jusqu'au vide limite (10-3 torr) pendant 1 minute avant d'être remis à la pression atmosphérique en introduisant de l'azote et ensuite la nacelle porte-substrats a été retirée. Le silicium obtenu était polycristallin. EXEMPLE 2 Dans les mêmes conditions mais avec une température de fonctionnement de 5800 C, on a obtenu une couche de silicium amorphe dopé. EXEMPLE 3 Dans les mêmes conditions mais en remplaçant la phosphine par de l'arsine, on a obtenu une couche de silicium dopé à l'arsenic. A partir des exemples ci-dessus et d'autres expériences effectuées par les inventeurs, on peut déduire les règles suivantes pour obtenir un dépôt de silicium dopé in situ de façon beaucoup plus rapide et beaucoup plus homogène que dans l'art antérieur - la distance entre la périphérie externe des plaques et le diamètre interne du tube doit être inférieure à 20 mm - le débit de silane peut varier entre 100 et 300 cm3/mn et le débit de phosphine de 0,2 à 2 cm3/mn, la phosphine étant éventuellement diluée dans un gaz neutre tel que l'azote ou un gaz rare tel que l'argon ou l'hélium, la composition du mélange n'étant pas critique; ; - les divers paramètres de diamètre et de débit cidessus doivent permettre d'assurer que la vitesse linéaire du gaz dans l'espace compris entre les plaques et le tube est supérieure à 5 m/s et présente un écoulement sensiblement laminaire - le dépôt s'effectue jusqu' des températures aussi basses que 5500C/mn - les vitesses de dépôt sont de l'ordre, selon la température, de quelques nm/mn, par exemple de 4 nm/mn dans l'exemple indiqué. REVENDICATIONS 1. Réacteur de dépôt de silicium dopé par un produit tel que P ou As sur des plaquettes (10) de circuits intégrés, ce réacteur comprenant un tube cylindrique chauffé (1) et étant muni à une extrémité d'une entrée (2,3) de gaz actif et à son autre extrémité d'une sortie (4) de pompage, des plaquettes étant disposées sensiblement perpendiculairement à l'axe (13) du tube et centrées par rapport à celui-ci, caractérisé en ce que des plaques intercalaires (11), parallèles auxdites plaquettes et centrées de la même façon, sont régulièrement disposées entre ces plaquettes, le diamètre desdites plaques étant supérieur de 10 à 40 % à celui desdites plaquettes. 2. Réacteur de dépôt de silicium dopé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des plaques est supérieur à celui des plaquettes d'environ 25 %. 3. Réacteur de dépôt de silicium dopé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la dimension de la couronne formée entre le diamètre extérieur des plaques et le diamètre interne du tube est choisie en fonction du débit des gaz actifs pour que la vitesse linéaire d'écoulement des gaz actifs soit supérieure à 5m/s. 4. Réacteur de dépôt de silicium dopé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les gaz actifs comprennent un mélange de silane (SiH4) et d'un gaz choisi dans le groupe comprenant la phosphine et l'arsine, ce dernier gaz étant éventuellement dilué dans un gaz neutre ou rare. 5. Réacteur de dépôt de silicium dopé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de réaction est de l'ordre de 600 à 63O0C, d'où il résulte que le silicium est du silicium polycristallin. 6. Réacteur de dépôt de silicium dopé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de réaction est de tordre de 550 à 580"C, d'où il résulte que le silicium est du silicium amorphe. 7. Réacteur de dépôt de silicium dopé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport entre le débit du gaz dopant et celui du silane est de l'ordre de 1 à 4. 8. Réacteur de dépôt de silicium dopé selon l'une quelconque des revendications 1 7, comprenant une nacelle (20) support de plaquesll) et plaquettes (10), munie d'au moins trois tiges horizontales parallèles (23, 24, 25), caractérisé en ce que ces tiges sont munies, dans une succession de plans verticaux, d'encoches (27, 28) approfondies dans leur partie centrale pour maintenir verticalement en position un sandwich comprenant une plaque (11) entre deux plaquettes (10).