Brevet FR2691288A1 — publié le 19931119

La présente invention se rapporte à un procédé de formation de films semi- conducteurs monocristallins Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à un procédé de formation de films semi- conducteurs monocristallins sur une couche isolante via un trou d'ensemencement qui traverse la couche isolante qui est formée sur un substrat semi-conducteur monocristallin. Pour améliorer la performance d'un dispositif semi-conducteur, des tentatives ont été faites pour fabriquer un dispositif semi-conducteur laminé par un procédé dans lequel les éléments de circuit sont tridimensionnellement laminés en une forme multicouche Dans un tel procédé, une étape est nécessaire dans laquelle seules des couches semi-conductrices non monocristallines sont chauffées et fondues tandis que la température du substrat semi- conducteur est maintenue à une relativement faible valeur de 800 'C ou moins, par irradiation d'un faisceau d'énergie qui est finement condensé sur une couche semi-conductrice non monocristalline déposée sur une couche isolante sur un substrat semi-conducteur, la couche semi- conductrice non monocristalline étant transformée en un monocristal La température du substrat est maintenue à 800 'C ou moins pour empêcher les impuretés dans les portions d'impuretés des éléments de circuit que l'on forme dans le substrat de se diffuser vers d'autres portions. En se référant aux figures 5 et 6, on expliquera maintenant un procédé conventionnel de formation de films semi-conducteurs monocristallins La figure 6 est une vue en coupe transversale faite suivant la ligne I-I de la figure 5 Un film d'oxyde de silicium 2, d'une épaisseur d'environ lpm, est formé sur un substrat 1 en silicium. Un trou 3 d'ensemencement dont le diamètre est d'environ 3 plm est prévu de manière à traverser le film d'oxyde de silicium 2 Un film en silicium polycristallin 4 dune épaisseur d'environ 0,5 pm est déposé par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur le film d'oxyde de silicium 2 Un certain nombre de schémas de films en nitrure de silicium 5 a et 5 b, qui sont déposés sur une épaisseur d'environ nm par le procédé de dépôt chimique en phase vapeur et structurés sont prévus sur le film en silicium polycristallin 4 Le schéma de film en nitrure 5 a, d'une forme quadrilatérale dont un côté a une longueur d'environ 4 prn, est prévu au-dessus du trou d'ensemencement 3 Le film de nitrure a été structuré sous la forme de raies avec des lignes et des espaces de 5 pm et 10 lim, respectivement Un film en silicium monocristallin est formé par fusion du film en silicium polycristallin 4 dans une direction le long des schémas 5 b du film en nitrure par irradiation d'un faisceau d'énergie en partant du trou d'ensemencement 3. L'étape dans laquelle on fait fondre le film polycristallin 4 et on le transforme en un monocristal est montrée à la figure 7 Le substrat en silicium 1 est chauffé à environ 450 'C par un réchauffeur résistif, non illustré Un faisceau laser 6, dont la section transversale est condensée sous la forme d'un cercle 6 a d'un diamètre d'environ grm, explore les schémas 5 b du film en nitrure à une vitesse de 25 cm/s dans la direction indiquée par la flèche L, en partant du schéma 5 a du film en nitrure de silicium qui est formé au-dessus du trou d'ensemencement 3 Ce faisceau laser 6 peut par exemple être obtenu par un laser à argon du type à oscillations continues ayant une sortie de 12 watts. Le film en silicium polycristallin 4 fond dans une portion 4 a irradiée par le faisceau laser 6 et le film en oxyde de silicium 2 est amolli dans une portion 2 a qui est directement en dessous de la -portion 4 a Le silicium fondu se solidifie de nouveau après passage du faisceau laser 6 Par suite, on provoque la croissance épitaxiale d'un film en silicium monocristallin 4 b dont raxe cristallin est transféré du substrat en silicium 1 à travers le trou d'ensemencement 3. Les schémas 5 b du film en nitrure que l'on peut voir à la figure 5 servent de films pour empêcher la réflexion du faisceau laser 6 et contrôlent la distribution des températures dans une direction transversale à la direction dans laquelle les monocristaux croissent de manière que les monocristaux croissent en s'éloignant du trou 3 Les schémas 5 a du film en nitrure de silicium, de forme quadrilatérale, qui sont prévus au-dessus des trous d'ensemencement 3, sont prévus afin d'empêcher le faisceau laser 6 de se réfléchir et d'augmenter l'absorption de chaleur de manière que la perte de chaleur, due au silicium remplissant le trou d'ensemencement 3 dont la conductivité thermique est plus importante que celle du film d'oxyde 2, soit compensée. Un tel mécanisme ci-dessus décrit selon l'art antérieur pour former des films en silicium monocristallin est décrit en détail dans "Extended Abstract of the 18th ( 1986) International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 1986, pages 565-568 ". Des films semi-conducteurs monocristallins selon l'art antérieur ont été formés comme décrits ci-dessus Cependant, il y a un problème par le fait que l'axe du cristal du film en silicium monocristallin 4 b obtenu à la manière ci-dessus décrite, tourne continuellement, proportionnellement à la distance par rapport au trou d'ensemencement 3. La figure 8 est un graphique dans lequel l'angle entre l'axe du cristal du film en silicium monocristallin 4 b et laxe du cristal du substrat en silicium 1, mesuré par schéma canalisant les électrons (ECP) est montré par rapport à la distance du trou d'ensemencement 3 L'axe horizontal montre la distance (jim) d'un germe et l'axe vertical montre l'angle de rotation de l'axe du cristal (en degrés) La courbe A, indiquée par les marques circulaires blanches, montre l'angle de rotation de l'axe du cristal du film en silicium monocristallin 4 b que l'on obtient par l'art antérieur On peut voir par cette courbe A que l'axe du cristal est tourné sur environ 300 à une distance de 300 jim du trou d'ensemencement 3 Un tel phénomène concernant la rotation de raxe du cristal peut s'expliquer comme décrit ci-dessous. La figure 9 est une vue en coupe schématique représentant la distribution de température bidimensionnelle à proximité de linterface entre, comme le montre la figure 7, la portion 4 a o le silicium est fondu et le film de silicium monocristallin 4 b, ce qui est indiqué par une ligne isothermique déterminée par simulation Sur cette figure, la bande de silicium fondu 4 a progresse de la gauche vers la droite Une ligne isothermique MP indiquée par une ligne en pointillé sur la figure 9 montre une température de 1414 'C, qui est le point de fusion du silicium L'interface solide- liquide entre la bande de silicium fondu 4 a et le film en silicium monocristallin 4 b se trouve le long de cette ligne isothermique MP Comme on peut le voir par la ligne isothermique MP, l'interface solide- liquide est inclinée vers larrière si l'on considère que la bande de silicium fondu 4 a progresse vers l'avant En effet, à proximité de l'interface solide-liquide, la température de la portion de couche supérieure du film en silicium monocristallin 4 b est plus importante que celle de sa portion de couche inférieure. Par conséquent, les réseaux cristallins dans la portion de couche supérieure du film en silicium monocristallin 4 b sont plus étendus du fait de la dilatation thermique que les réseaux cristallins dans la portion de couche inférieure Dans une telle condition, les atomes de silicium dans la bande o le silicium est fondu 4 a subissent une solidification épitaxiée de nouveau sur les réseaux cristallins courbés sur rinterface solide-liquide avec fixation au film d'oxyde de silicium 2 de la couche inférieure dans cette condition De cette manière, l'axe du cristal du film en silicium monocristallin 4 b est graduellement tourné tandis que sa croissance progresse. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes ci-dessus mentionnés de Part antérieur. La présente invention a pour objet de procurer un procédé de formation de films semi-conducteurs monocristallins de très bonne qualité dont les axes du cristal ne tournent que de quelques degrés sur les couches isolantes. L'objet ci-dessus est obtenu par le procédé de formation de films semi- conducteurs monocristallins selon la présente invention, o un film semiconducteur monocristallin, dont l'axe du cristal est transféré d'un substrat semi-conducteur monocristallin, est formé sur une couche isolante via un trou d'ensemencement qui traverse la couche isolante qui est formée sur le substrat semi-conducteur monocristallin, le procédé comprenant les étapes de: former un substrat semi-conducteur non monocristallin relié à un substrat semi-conducteur monocristallin via un trou d'ensemencement sur une couche isolante, irradier un faisceau formé d'un premier faisceau d'énergie dont la densité de puissance lui permet de faire fondre un film semi-conducteur non monocristallin et un second faisceau d'énergie dont la densité de puissance ne lui permet pas de faire fondre le film semi-conducteur non monocristallin mais lui permet d'amollir la couche isolante placée en dessous du film semi-conducteur non monocristallin, et provoquer la croissance épitaxiale du film semi-conducteur monocristallin de manière que le film semi-conducteur non monocristallin soit fondu puis de nouveau solidifié par balayage de la surface du film semi-conducteur non monocristallin par le faisceau composé, en partant du trou d'ensemencement, de manière que le premier faisceau d'énergie soit d'abord irradié puis le second faisceau d'énergie. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: la figure 1 est une vue illustrant un procédé de formation de films semi- conducteurs monocristallins selon un mode de réalisation de la présente invention; les figures 2 à 4 sont des vues en coupe transversale qui illustrent des phases dans lesquelles un dispositif semi-conducteur laminé est fabriqué en utilisant un film monocristallin qui est formé par la présente invention; la figure 5 est une vue en plan qui illustre la surface d'un film polycristallin formé sur un substrat pour obtenir le film monocristallin; la figure 6 est une vue en coupe transversale faite suivant la ligne I-I de la figure 5; la figure 7 est une vue qui illustre un procédé conventionnel de formation de films semi-conducteurs monocristallins; la figure 8 est une vue qui illustre les rotations des axes de cristal des films monocristallins formés selon le procédé de la présente invention et selon le procédé conventionnel; et la figure 9 est une vue en coupe transversale qui illustre la distribution de température à proximité d'une extrémité à laquelle croît le film monocristallin. Un mode de réalisation préféré de la présente invention sera expliqué ci- dessous en se référant aux dessins joints. Sur la figure 1, un film 2 d'oxyde de silicium d'une épaisseur d'environ 1 jum est formé sur un substrat monocristallin en silicium 1 Un trou d'ensemencement 3, ayant un diamètre d'environ 3 pnm, est prévu de manière à traverser le film d'oxyde de silicium 2 Un film en silicium polycristallin 4 d'une épaisseur d'environ 0,5 jum est déposé par un procédé CVD sur le film d'oxyde de silicium 2 Un certain nombre de schémas de film en nitrure de silicium 5 a, dont un côté a une longueur d'environ 4 gm, qui sont déposés sur une épaisseur d'environ 50 nm par le procédé CVD et o un schéma est formé, sont prévus au-dessus du trou densemencement 3 sur le film en silicium polycristallin 4 Bien que cela ne soit pas représenté à la figure 1, le film en nitrure a reçu un motif de raies avec des lignes et des espaces de 5 Fim et 10 grm respectivement, comme le montre la figure 5. Un faisceau laser composé 63 est formé en mélangeant une partie d'un premier faisceau laser 61 sur une partie d'un second faisceau laser 62 dont chacun est obtenu d'un laser à l'argon, non représenté, d'une longueur d'onde de 488 nm et dont la distribution de température est du type de Gauss Le film en silicium polycristallin 4 est fondu par balayage de sa surface en utilisant le faisceau laser composé 63 dans la direction indiquée par la flèche L puis il est transformé en un monocristal. La section transversale du premier faisceau laser 61 est condensée sous la forme d'un cercle 61 a dont le diamètre est denviron 100 grm et le premier faisceau laser 61 a une sortie de 12 watts Par contre, la section transversale du second faisceau 62 est condensée sous la forme d'un cercle 62 a dont le diamètre est d'environ 150 pm et sa puissance de sortie est de 14 watts Avec les premier et second faisceaux laser 61 et 62 utilisés sous la forme d'un faisceau laser composé 63 et leur position relative étant fixe, ce faisceau laser composé 63 balaye le film en silicium polycristallin 4 A ce moment, le faisceau laser composé 63 balaye à une vitesse de 25 cm/s dans la direction indiquée par la flèche L en partant sur les schémas du film en nitrure de silicium 5 a qui sont formés au-dessus du trou d'ensemencement 3 de manière que le premier faisceau laser 61 soit dabord irradié puis le second faisceau laser 62 Le substrat en silicium 1 est chauffé à peu près à 450 'C par un réchauffeur résistif, non illustré. Le premier faisceau laser 61 qui est d'abord irradié a une densité de puissance de 48 J/cm 2 Cela dépasse la densité de puissance de 45 J/cm 2 requise pour faire fondre le film en silicium polycristallin 4 Par contraste, le second faisceau laser 62 a une densité de puissance de 37 J/cm 2 Bien qu'il ne puisse faire fondre le film en silicium polycristallin 4, il peut indirectement chauffer le film en oxyde de silicium 2 sous le film en silicium polycristallin 4 à 1200 'C, ce qui est plus élevé que 1150 'C qui est le point d'amollissement du film d'oxyde de silicium 2. En conséquence, le film de silicium polycristallin 4 ne fond que dans la portion 4 a qui est irradiée par le premier faisceau laser 61 Le silicium fondu se solidifie de nouveau après passage du premier faisceau laser 61 Par suite, on provoque la croissance épitaxiale d'un film en silicium polycristallin 4 c dont l'axe du cristal est transféré du substrat en silicium 1 via le trou d'ensemencement 3. Cependant, quand le silicium fondu se solidifie de nouveau, comme il est irradié par le second faisceau laser 62 qui suit le premier faisceau laser 61, le film d'oxyde de silicium 2 est amolli dans une portion qui est directement sous la portion o se solidifie le silicium Une portion 2 b, indiquée par une ligne en pointillé dans le film d'oxyde de silicium 2 sur la figure 1, indique la portion o la température est à ou au- delà du point de fusion de 1150 'C du film d'oxyde de silicium 2 Le film d'oxyde de silicium 2 est amolli dans la portion 2 b Selon la simulation de distribution de température, la portion extrême arrière de la portion 2 b, o le film en oxyde de silicium 2 est amolli, s'étend d'une interface solide-liquide 4 d qui se trouve à l'extrémité à laquelle se développe le film en silicium polycristallin 4 c jusqu'à une distance de 140,um vers larrière. On a vu que lorsque la rotation de l'axe du cristal du film en silicium monocristallin 4 c formé comme décrit ci-dessus est mesurée par ECP, la rotation est plus faible qu'un degré à une distance de 300 pm du trou d'ensemencement 3 Les résultats de la mesure sont montrés par la courbe B qui présente des marques triangulaires sur la figure 8 Une si petite rotation de laxe du cristal ne pose aucun problème du point de vue industriel lorsque des éléments de circuit semi-conducteur sont formés sur le film en silicium monocristallin 4 c En effet, on peut voir, du procédé de la figure 1, qu'un film en silicium monocristallin d'une qualité suffisamment satisfaisante du point de vue industriel peut être formé sur une couche isolante. La raison pour laquelle la rotation de laxe du cristal du film en silicium monocristallin est faible peut être comprise de ce qui suit: après examen par les présents inventeurs, il est devenu évident que le film en silicium monocristallin 4 b ayant une rotation de l'axe du cristal, formé par lart antérieur montré à la figure 7 et indiqué par la courbe A sur la figure 8, ne contient pratiquement pas de défaut Ce fait indique que la rotation de l'axe du cristal est provoquée par la déformation élastique. Comme on ra décrit ci-dessus, le film en silicium monocristallin 4 b fixé au film d'oxyde de silicium 2 alors que laxe du cristal est tourné est à un état d'énergie très libre ayant une énergie de contrainte élastique Par conséquent, comme dans le procédé montré à la figure 1, si la portion de couche supérieure 2 b du film d'oxyde de silicium 2 sous le film en silicium monocristallin 4 c est amollie, on pense que les particules qui forment le film d'oxyde 2 se déplacent donc le film en silicium monocristallin 4 c décharge l'énergie de contrainte élastique, permettant le retour de la rotation de l'axe du cristal. On peut voir par les résultats de la simulation de la figure 9 que dans l'art antérieur de la figure 7, la portion 2 a ou le film d'oxyde 2 est amolli est étendue vers l'arrière à peu près sur 3 im à partir de l'extrémité o croît le film monocristallin 4 b. Cependant, dans un tel degré d'extension de la portion amollie 2 a, la rotation du cristal du film monocristallin 4 b ne peut être réduite Cela peut être considéré comme étant ainsi parce que l'extension de la portion amollie 2 a à partir de l'extrémité o croît le film monocristallin 4 b jusqu'à la portion vers l'arrière ne differe pas beaucoup de l'épaisseur du film monocristallin 4 b qui est de 0,5 jmm, et la portion amollie 2 a ne peut être suffisamment déplacée pour décharger suffisamment l'énergie de contrainte élastique dans le film monocristallin 4 b. Par les résultats de l'étude ci-dessus décrite, la portion amollie 2 b du film d'oxyde 2 est efficace lorsqu'elle est étendue à partir de l'extrémité 4 d o est développé un film monocristallin 2 c jusqu'à la portion vers l'arrière, sur une distance égale à dix fois ou plus celle de l'épaisseur du film d'oxyde de silicium monocristallin 2 c Il est souhaitable que, par exemple, la portion amollie 2 b soit étendue sur 30 pgm à partir de l'extrémité 4 d de la croissance de la portion vers l'arrière par rapport au film monocristallin 2 c, que l'on peut voir à la figure 1, d'une épaisseur de 0,5 gim. Les circonstances dans le cas de la fabrication d'un dispositif semiconducteur à deux couches par l'utilisation du procédé de l'invention sont montrées aux figures 2 à 4 Sur la figure 2, un transistor métal oxyde semi-conducteur (MOS) 12 de la première couche est formé sur un substrat 11 en silicium monocristallin du type P Le transistor 12 comprend une zone d'implantation d'impuretés 13 du type N qui est formée dans la portion de couche supérieure du substrat 11, une électrode de porte 14, une couche en siliciure de tungstène 15 ou analogue Un film d'oxyde par CVD 16, servant de film d'isolement entre couches, est formé sur le substrat 11 de façon à couvrir ce transistor 12 Un trou d'ensemencement 17 qui traverse le film d'oxyde 16 est prévu et un film en silicium polycristallin 18 est déposé sur le film d'oxyde 16. Le faisceau laser composé 63 que l'on peut voir à la figure 1 est irradié à la surface du film en silicium polycristallin 18, en partant du trou d'ensemencement 17. Le film en silicium polycristallin 18 est fondu par le balayage du faisceau laser Par suite du silicium fondu 19 qui se solidifie de nouveau, on obtient un film en silicium monocristallin 20. Ensuite, le film en silicium monocristallin 20 formé sur le film d'oxyde 16 de cette manière reçoit un schéma tel que montré à la figure 3 Ensuite, comme le montre la figure 4, un film d'oxyde 21, une électrode de porte 22, une couche en siliciure de tungstène 23 ou analogue sont formés sur le film en silicium monocristallin 20 pour former un transistor 24 de la seconde couche. Selon la présente invention, comme il se forme un film monocristallin de haute qualité 20 dont l'axe du cristal est à peine tourné sur le film isolant 16, on peut fabriquer, comme décrit ci-dessus, des dispositifs à semi-conducteurs d'une structure multicouche ayant d'excellentes caractéristiques. Bien que dans le mode de réalisation ci-dessus décrit et représenté à la figure 1, la portion amollie 2 b soit formée dans la portion de couche supérieure du film d'oxyde 2 en utilisant le second faisceau laser 62, un faisceau d'électrons ou un faisceau infrarouge ou tout autre faisceau d'énergie d'un diamètre qui est condensé à pas plus d'environ 500 pm peut également être utilisé. Bien que les deux faisceaux d'énergie 61 et 62, dans le mode de réalisation de la figure 1, aient une section transversale circulaire, on peut également utiliser un faisceau laser dont la section transversale a une forme autre qu'un cercle, par exemple, une section transversale elliptique. De plus, bien que dans le mode de réalisation de la figure 1, la température du substrat 1 soit établie à 450 'C, la température n'est pas limitée à cette valeur mais elle peut être établie toute température ne dépassant pas environ 800 'C Quand la température du substrat ne dépasse pas environ 800 'C, les impuretés dans les portions d'impuretés d'un élément de circuit qui a déjà été formé dans un substrat semi- conducteur peuvent être empêchées de se diffuser vers d'autres portions Cependant, la densité de puissance des premier et second faisceaux laser 61 et 62 doit être ajustée selon la température du substrat. De même, si un silicium amorphe est déposé sur le substrat monocristallin 1 à la place du film en silicium polycristallin 4 et qu'on lirradie par le faisceau laser composé 63, on peut de même obtenir une forme de silicium monocristallin. REVENDICATIONS 1 Procédé de formation de films semi-conducteurs monocristallins du type o un film semi-conducteur monocristallin dont raxe du cristal est transféré d'un substrat semi-conducteur monocristallin est formé sur une couche isolante via un trou d'ensemencement qui traverse la couche isolante qui est formée sur le substrat semi- conducteur monocristallin, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: former un substrat semi-conducteur non monocristallin relié à un substrat semi-conducteur monocristallin via un trou d'ensemencement sur une couche isolante, irradier un faisceau mélangé formé d'un faisceau à une première énergie ayant une densité de puissance qui est capable de faire fondre un film semi-conducteur non monocristallin et un faisceau à une seconde énergie dont la densité de puissance ne lui permet pas de faire fondre le film semi-conducteur monocristallin mais lui permet d'amollir une couche isolante placée en dessous du film semi- conducteur monocristallin; et provoquer la croissance épitaxiale du film semi-conducteur monocristallin de manière que le film semi-conducteur non monocristallin soit fondu puis se solidifie de nouveau par balayage de la surface du film semi-conducteur non monocristallin au moyen du faisceau composé, en partant du trou d'ensemencement, de manière que le faisceau à la première énergie soit d'abord irradié puis le faisceau à la seconde énergie. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau à la première énergie est un faisceau laser. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau à la seconde énergie est un faisceau laser. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau à la seconde énergie est un faisceau d'électrons, dont le diamètre est condensé à pas plus de 500 gim. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second faisceau d'énergie est un faisceau infrarouge dont le diamètre est condensé à pas plus de 500 pnm. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie du faisceau à la première énergie et du faisceau à la seconde énergie sont mélangées pour former un faisceau composé. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur monocristallin est maintenu à une température ne dépassant pas 8000 C. 2691288 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion de couche supérieure de la couche isolante est maintenue à une température au-delà de son point d'amollissement sur une distance qui est égale à dix fois l'épaisseur du film semi- conducteur monocristallin à partir de l'extrémité o ledit film semiconducteur monocristallin croît jusqu'à la portion vers l'arrière.