Brevet FR2661779A1 — publié le 19911108

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un film semi-conducteur po Lycrista L Lin dans Leque L un film semi- conducteur comportant des phases amorphes est crista L Lisé et, plus particu Lièrement, un procédé de fabrication d'un film semi- conducteur po Lycristallin dans lequel on provoque La croissance de phases crista L Lines au moyen d'un faisceau ionique pour obtenir un film semi-conducteur po Lycrista L Lin ayant des grains de tai L Le uni- forme et contrôlée. En ce qui concerne la croissance cristalline à l'aide d'un faisceau ionique, il existe un procédé classique d'implanta- tion d'ions arsenic pour réaliser une cristallisation épitaxiale en phase solide du silicium amorphe formé sur un substrat de silicium (voir le document Jpn J Appl Phys 21 ( 1982) Suppl 21-1, p 211) ainsi qu'un procédé dans lequel on utilise en combinaison une implantation ionique de xénon et un chauffage du substrat lors de l'implantation ionique (voir le document Nuclear Instrum. Methods Res B 1, 9/20 ( 1987) p 457) De plus, concernant les films semiconducteurs sur des substrats de verre et l'implantation ionique, il existe un procédé d'implantation d'ions germanium ou silicium avec chauffage dans un film polycristallin de germanium ou de silicium déposé sur un verre quartzeux pour augmenter la taille des grains (voir le document Appl Phys 64 ( 1988) p 2337). Par rapport aux autres procédés, les procédés ci-dessus permettent de réaliser une cristallisation en phase solide à basse température de sorte que l'on peut s'attendre à pouvoir les uti- liser pour abaisser la température de traitement des semi- conducteurs ou à pouvoir les appliquer à un circuit intégré tridi- mensionnel. Cependant, dans chacun des procédés de croissance cris- ta L Line classiques ci-dessus qui utilisent un faisceau ionique, la profondeur de pénétration projetée des ions incidents étant réglée au centre du film, la densité des défauts dans les phases cristal- lines est importante De ce fait, il est nécessaire que la tempéra- ture du substrat soit éLevée lors de l'implantation ionique pour obtenir une croissance des grains Dans le cas d'un film de sili- cium polycristallin, par exemple, le substrat doit être chauffé à au moins 800 C au cours de l'implantation Si l'on utilise comme substrat du film semi-conducteur un matériau qui ne peut pas résis- ter à cette température, il apparaît un grave problème de déforma- tion du substrat ou de diffusion d'un éLément constitutif du subs- trat dans le film semi-conducteur. Par ailleurs, dans un procédé bien connu pour réaliser un traitement thermique afin de former des phases cristallines en phase solide, une température d'au moins 600 C est nécessaire dans le cas d'un film de silicium amorphe, par exemple. Ainsi, pour remédier aux inconvénients des procédés connus, la présente invention a pour objet de fournir un procédé de fabrication d'un film semi-conducteur polycristallin qui permette la formation à basse température d'un film semi-conducteur poly- cristallin comportant des grains de taille importante et uniforme qu'il est impossible d'obtenir par les procédés classiques. La présente invention a également pour objet de fournir un procédé de fabrication d'un film semi-conducteur polycristallin qui permette l'utilisation d'un substrat inutilisable en tant que substrat semi-conducteur dans un procédé classique à haute tempéra- ture mis en oeuvre par chauffage du fait des déformations provo- quées par la chaleur ou de la diffusion d'un élément constitutif du substrat. Le procédé de fabrication d'un film semi-conducteur poly- cristallin selon la présente invention comprend l'étape de forma- tion de film qui consiste à former un film semi-conducteur amorphe contenant des phases cristallines et l'étape de croissance cristal- line qui consiste à réaliser une implantation ionique dans le film semiconducteur amorphe de manière que la profondeur de pénétration projetée des ions incidents devienne supérieure à l'épaisseur du film semi-conducteur amorphe. Selon la présente invention, il est possible de former sur un substrat un film semi-conducteur amorphe contenant des phases cristallines en formant sur un substrat un film semi- conducteur contenant des phases cristallines, par exemple par un procédé CVD (déposition en phase gazeuse par procédé chimique) à plasma ou par un procédé CVD thermique, ou en formant un film semi- conducteur amorphe sur un substrat puis en effectuant une implanta- tion ionique dans Le film semi-conducteur amorphe pour former par- tie L Lement des phases crista L Lines (nuc Léation de cristaux). Pour former partie L Lement des phases crista L Lines par implantation ionique, on règle l'énergie d'accélération des ions destinés à être implantés de telle manière que la profondeur de pénétration projetée des ions incidents devienne supérieure à l'épaisseur du film semi-conducteur La formation de phases amorphes due à des collisions en cascade entre les ions incidents et les atomes constitutifs du film semi-conducteur étant diminuée, la densité des défauts dans une région cristallisée du film semi- conducteur décroît de sorte que l'on obtient des phases cristal- lines satisfaisantes Si l'énergie d'accélération est telle que la profondeur de pénétration des ions incidents est inférieure à l'épaisseur du film, la cristallinité des phases cristallines est dégradée bien que la densité de formation des phases cristallines augmente dans une région de plus grande énergie de déposition En outre, il ne se forme aucune phase cristalline dans Le film semi- conducteur à une profondeur qui ne peut pas être atteinte par les ions De préférence, la densité surfacique de puissance du faisceau ionique est au moins égale à 1 W/cm 2 Si la densité surfacique de puissance est inférieure à 1 W/cm 2, des phases cristallines peuvent être formées par implantation ionique si le substrat est chauffé entre 50 et 800 C La valeur limite de la densité surfacique de puissance pour laquelle ce chauffage du substrat est nécessaire (densité surfacique de puissance à laquelle la vitesse de formation des phases cristallines varie de manière importante) varie forte- ment selon le type du film semi-conducteur, du substrat ou des ions Bien que les types d'ions qui peuvent être utilisés ne soient pas particulièrement limités, ces ions sont de préférence les ions d'un éLément constitutif du semi-conducteur et qui doit être cris- tallisé, d'un éLément constitutif du substrat ou d'un éLément des gaz nobles Même dans les conditions préférables évoquées ci-dessus en ce qui concerne la densité surfacique de puissance du faisceau ionique pour la formation des phases cristallines, il est possible de réaliser la croissance des phases cristallines après leur forma- tion Cependant, du fait que la vitesse de croissance est éLevée, la différence entre la taille des grains obtenus dans les phases cristallines formées initialement et dans les phases cristallines obtenues à la fin augmente. Pour réduire le phénomène de formation de phases amorphes par suite des collisions en cascade entre les ions incidents et les atomes constitutifs du film semi-conducteur et pour abaisser la densité des défauts dans une région cristallisée du film semi- conducteur, on règle l'énergie d'accélération des ions incidents au cours de l'étape de croissance cristalline de la présente invention de manière que la profondeur de pénétration projetée des ions inci- dents devienne supérieure à l'épaisseur du film semi-conducteur. Lorsque la profondeur de pénétration projetée des ions incidents est inférieure à l'épaisseur du film semi-conducteur, il se forme dans le film semi-conducteur une région qui ne peut pas être atteinte par les ions et dans laquelle la croissance des phases cristallines est moins facile. La densité surfacique de puissance des ions incidents est de préférence de 0,5 à 1 W/cm 2 Si la densité surfacique de puis- sance est supérieure à 1 W/cm 2, la formation des phases cristal- lines est telle qu'il est moins facile de contrôler la taille des grains. La valeur limite de la densité surfacique de puissance pour laquelle un chauffage du substrat est nécessaire varie se Lon le type de film semiconducteur ou le type de substrat Par exemple, lorsque le film semiconducteur est un film de silicium, i L n'est pas nécessaire de chauffer le substrat si la température du film de silicium est portée à 220 C ou plus du fait de l'effet de chauffage des ions incidents Comme la croissance des phases amorphes est plus facile que celle des phases cristallines lorsque la température est inférieure à 220 C, il est nécessaire de chauf- fer le substrat à 220 C ou plus par un d ispositif de chauffage externe. Si la densité surfacique de puissance est au moins égale à 0,5 W/cm 2, il est possible de réaliser la croissance cristalline sans chauffer le substrat de manière particulière Si la densité surfacique de puissance est inférieure à 0,5 W/cm 2, il est possible d'augmenter la vitesse de croissance des phases cristallines en chauffant le substrat entre 50 et 800 C pendant L'imp Lantation ionique. Bien qu'il n'existe pas de limitation particulière en ce qui concerne le type des ions qui doivent être implantés, ces ions sont de préférence des ions d'un éLément constitutif du semi- conducteur et qui doit être cristallisé, d'un élément constitutif du substrat ou d'un élément des gaz nobles. Dans la présente invention, on prévoit de préférence une étape de contrôle entre l'étape de formation du film et l'étape de croissance cristalline Dans cette étape de contrôle, certaines des phases cristallines présentes dans le film semi-conducteur sont transformées en phases amorphes pour contrôler la densité des cris- taux et leur disposition spatiale dans le film avant l'étape subsé- quente de croissance cristalline Il en résulte qu'il est possible de former un film semi-conducteur polycristallin présentant des grains de taille plus importante et plus uniforme On utilise de préférence l'un des trois procédés suivants pour contrôler la den- sité des cristaux dans cette étape de contrôle. Dans le premier procédé, on réalise un balayage dans des conditions permettant la formation de phases amorphes pour projeter un faisceau ionique focalisé d'un diamètre prédéterminé sur un film semi-conducteur contenant des phases cristallines Dans ce procédé, seules les phases cristallines présentes dans les régions sur les- quelles on projette le faisceau ionique focalisé sont transformées en phases amorphes, sans modification des phases cristallines situées dans les parties non irradiées du film semi-conducteur On règle les conditions concernant le faisceau ionique focalisé, telles que la tension d'accélération, la densité du courant ionique et la quantité d'irradiation, selon la taille et la densité des cristaux contenus dans le film semi-conducteur amorphe de manière qu'il se forme au cours de l'étape subséquente de croissance cris- talline un film polycristallin présentant des grains de taille plus importante et plus uniforme. Dans Le second procédé, on applique sur un film semi- conducteur amorphe un film de Si O 2, par exemp Le, de forme prédéter- minée, susceptible de servir de film de masquage contre les ions destinés à être implantés, et on réa Lise une implantation ionique dans les parties exposées du film semi-conducteur amorphe qui n'est pas recouvert par le film de masquage, dans des conditions permet- tant la formation de phases amorphes On peut effectuer l'implanta- tion ionique tandis que le film semi-conducteur amorphe est chauffé. Dans le troisième procédé, on effectue une implantation ionique dans tout le film dans des conditions qui ne provoquent pas une croissance cristalline, mais qui provoquent une croissance des phases amorphes (c'est-à-dire que la température du substrat du film semi-conducteur est inférieure ou égale à 220 C) de sorte que les cristaux de taille comparativement faible à l'état initial sont transformés en des phases amorphes et que seuls les cristaux de taille comparativement importante à l'état initial demeurent après l'implantation ionique, ce qui permet de contrôler la densité des phases cristallines. De plus, lorsqu'il se produit une absorption de lumière du fait des ions incidents qui atteignent le substrat, deux ou plus de deux types d'ions sont implantés et réagissent (par exemple, s'il apparaît une absorption de lumière due à l'implantation d'ions silicium, des ions oxygène et azote sont implantés) pour former un composé transparent (Si O 2 ou Si 3 N 4 dans l'exemple ci-dessus) dans le substrat, ce qui supprime l'absorption de lumière. Selon la présente invention, dans un procédé dans lequel des ions accélérés sont implantés dans un film semi-conducteur et sont ralentis tout en perdant de l'énergie, cette énergie est transmise directement (choc élastique entre les atomes incidents et les atomes du semiconducteur) ou indirectement (choc non élastique entre les atomes incidents et les atomes du semi-conducteur) aux atomes cibles, de sorte que le film semi-conducteur est chauffé localement, au niveau atomique, à température élevée Comme cette montée en température provoquée par le faisceau ionique est de courte durée et localisée, la montée en température moyenne du substrat est bien plus faible que cette montée en température De plus, les défauts provoqués par l'implantation ionique activent le mouvement des atomes du semi-conducteur, et La croissance cristal- line du film semi-conducteur à basse température est réalisée. En outre, étant donné que l'énergie d'accélération est déterminée de manière que la profondeur de pénétration projetée des ions incidents devient supérieure à l'épaisseur du film semi- conducteur lors de la formation ou de la croissance des phases cristallines, le phénomène de formation de phases amorphes par les collisions en cascade entre les ions incidents et les atomes cons- titutifs du film semi-conducteur est supprimé, et la densité des défauts dans une région cristallisée du film semi-conducteur diminue IL est donc possible d'obtenir des grains de grande quali- té à basse température. Mais d'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit de modes de réalisation préférés en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples, et dans lequels: les figures la, lb, lc, 2 a, 2 b, 2 c, 3 a, 3 b, 3 c, 3 d sont des vues en coupe destinées à illustrer les étapes de fabrication des exemples 1 à 3 selon la présente invention, et les figures 4 et 5 sont des courbes montrant la distri- bution de la concentration des ions incidents dans le cas de l'exemple 1. Exemple 1 Sur deux types de substrats 1 en verre consistant en verre quartzeux et en verre de borosilicate alcalino-terreux- alumine, on a déposé par un procédé CVD à plasma en utilisant un silane gazeux comme gaz source (figure la) un film de silicium amorphe 2 contenant des phases cristallines 3 de manière à obtenir une épaisseur de film de 150 nm Puis, on a implanté des ions sili- cium à une énergie d'accélération de 180 ke V, une dose de x 1016 ions/cm 2 et une densité de courant de faisceau de 6 p A/cm 2 sans chauffer les substrats (figure lb) La figure 4 montre les résultats obtenus en calculant la distribution des ions silicium incidents (selon une théorie LSS) On a comparé ces échantillons par des observations au microscope électronique à transmission et par diffraction de faisceaux électroniques à transmission avant et après l'implantation ionique On a pu confirmer que le film de silicium amorphe contenant des phases cristallines d'environ 50 nm avant l'implantation ionique a été transformé en un film de sili- cium polycristallin 4 comportant des grains cristallins d'environ 600 nm Lorsque l'on a fait varier la densité de courant du fais- ceau ionique, on a constaté que la vitesse de croissance des grains cristallins a diminué considérablement pour une densité de courant de 3 p A/cm 2 ou inférieure De plus, la taille finale des grains a été déterminée par la densité des phases cristallines et elle n'a pas augmenté lorsque l'on a fait croître la dose Ainsi, la crois- sance cristalline était terminée lorsque la totalité du film de silicium amorphe a été transformée en polycristaux Par ailleurs, lorsque l'on a effectué l'implantation ionique en abaissant la den- sité de courant du faisceau ionique à 2 p A/cm 2 et en chauffant le substrat jusqu'à environ 300 C, il s'est formé sur les deux subs- trats en verre un film de silicium polycristallin de taille de grains semblable à celle obtenue sans chauffer le substrat A ce stade, on observe une région colorée 5 à la partie supérieure du substrat. Pour oxyder les ions silicium implantés dans chaque subs- trat, on a implanté des ions oxygène à une énergie d'accélération de 110 ke V et à une dose de 1 x 1017 ions/cm 2 (figure lc) On a réglé la profondeur d'implantation des ions oxygène de manière qu'elle coîncide avec celle des ions silicium, et on a réglé la quantité d'ions oxygène implantés de manière qu'elle soit deux fois supérieure à celle des ions silicium La figure 5 montre la distri- bution de concentration de l'oxygène calcu Lée selon les conditions ci-dessus Puis, on a formé un motif dans le film de silicium poly- cristallin et on a vérifié l'absorption de lumière dans une partie attaquée par les ions silicium On a constaté un effet sensible de suppression de l'absorption de lumière par rapport au cas o l'on n'a pas effectué d'implantation d'ions oxygène. Exemple 2 On a déposé sur deux types de substrats de verre 1 iden- tiques à ceux de l'exemple 1 un film de silicium amorphe 2 conte- nant des phases cristallines 3 par un procédé CVD à plasma de manière que ce film présente une épaisseur de 150 nm Sur la struc- ture obtenue, on a déposé par un procédé de pulvérisation catho- dique un film d'oxyde de silicium épais de 200 nm que l'on a soumis à une étape photolithographique pour former des masques carrés 6 de 500 nm de côté séparés par des intervalles de 3 pm (figure 2 a). Puis, on a implanté des ions silicium à une énergie d'accélération de 100 ke V, une dose de 1 x 1016 ions/cm 2 et une densité de courant de faisceau de 1 p A/cm 2 sans chauffer les substrats, pour former des phases amorphes dans les parties non masquées (figure 2 b) Ensuite, on a retiré le film d'oxyde de silicium et on a implanté encore des ions silicium à une énergie d'accélération de ke V, une dose de 5 x 1016 ions/cm 2, une densité de courant de faisceau de 2 p A/cm 2 et une température du substrat de 300 C (figure 2 c) On a examiné ces échantillons par des observations au microscope électronique à transmission et par diffraction de fais- ceaux électroniques à transmission On a constaté qu'il s'était formé sur chaque substrat en verre un film de silicium polycristal- lin 4 comportant des grains de taille relativement uniforme d'envi- ron 3 pm. Exemple 3 Sur chacun des deux types de substrats de verre 1 utili- sés dans l'exemple 1, on a déposé par un procédé CVD à plasma un film de silicium amorphe 2 de manière qu'il ait une épaisseur de nm (figure 3 a) Puis, on a implanté des ions silicium à une énergie d'accélération de 180 ke V, une dose de 3 x 1016 ions/cm 2 et une densité de courant de faisceau de 10 p A/cm 2 sans chauffer les substrats, pour former des phases cristallines 3 (nucléation de cristaux) (figure 3 b) Ensuite, afin de réduire la densité des phases cristallines, on a implanté des ions silicium à une énergie 16 2 d'accélération de 180 ke V, une dose de 1 x 1016 ions/cm 2, une den- sité de courant de faisceau de 1 p A/cm 2 et une température du subs- trat de 200 C, pour transformer les phases cristallines ayant des grains de petite taille en phases amorphes (figure 3 c) Ensuite, pour faire croître Les phases cristallines restantes pour cristal- liser la totalité du film, on a implanté des ions silicium à une énergie d'accélération de 180 ke V, une dose de 5 x 1016 ions/cm 2, une densité de courant de faisceau de 2 p A/cm 2 et une température du substrat de 3000 C (figure 3 d) Lorsque l'on a évalué ces échan- tillons par observation au microscope électronique à transmission et diffraction de faisceaux électroniques à transmission, on a pu confirmer qu'il s'était formé un film de silicium polycristallin 4 comportant des grains d'une taille d'environ 3 pm D'autre part, on a soumis l'échantillon formé comme le montre la figure 3 c à un traitement thermique dans une atmosphère d'azote à 600 C pendant h, après quoi on a fait la même évaluation On a constaté qu'il s'était formé sur les deux substrats un film de silicium polycris- tallin comportant des grains d'une taille d'environ 3 pm IL est à noter que la croissance cristalline provoquée par le traitement thermique peut être réalisée par un laser ou une lampe Selon la présente invention, il est possible de former à basse température un film semi-conducteur polycristallin comportant des grains de taille importante et uniforme, ce qui n'était pas possible avec les procédés classiques De plus, il est possible d'utiliser dans la présente invention un substrat inutilisable en tant que substrat semi-conducteur dans un procédé classique à haute température mis en oeuvre par chauffage du fait des déformations provoquées par la chaleur ou de la diffusion d'un élément constitu- tif du substrat. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un film semi-conducteur poly- cristallin, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de formation de film qui consiste à former un film semi-conducteur amorphe ( 2) contenant des phases cristallines ( 3), et l'étape de croissance cristalline qui consiste à réaliser une implantation ionique dans le film semi-conducteur amorphe de manière que la profondeur de pénétration projetée des ions incidents devienne supérieure à l'épaisseur du film semi-conducteur amorphe. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, avant ladite étape de croissance cristalline, une étape de contrôle qui consiste à transformer en phases amorphes certaines desdites phases cristallines ( 3) présentes dans ledit film semi-conducteur amorphe ( 2). 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de contrôle est réalisée en projetant un faisceau ionique focalisé de diamètre prédéterminé sur ledit film semi- conducteur amorphe. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de contrôle est réalisée en masquant ( 6) ledit film semi-conducteur amorphe selon un motif prédéterminé et en implantant des ions dans la partie non masquée.