Brevet FR2765245A1 — publié le 19981231

Procédé d'obtention d'une couche de silicium-germanium polycristallin sur un substrat et son application à la microélectronique. La présente invention concerne, d'une manière générale, un procédé d'obtention d'une couche de Si1-xGex polycristallin où 0 I1 a été montré qu'une structure de grille comportant une couche de Si1 xGex polycristallin où O Le dépôt de couches de Si1 xGex polycristallin sur une couche d'oxyde de silicium a déjà été effectué par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD) dans des fours multiplaques. Ce procédé nécessite le pré-dépôt d'une couche d'accrochage en silicium pur sur laquelle on effectue le dépôt de la couche de Si1 xGex polycristallin. Cette couche d'accrochage permet d'obtenir une taille de grain acceptable dans la couche de Si1 xGex, car elle empêche la tendance du germanium à se mettre en boule comme dans le cas d'un dépôt direct de Si1 xGex sur une couche d'oxyde de silicium, ce qui, en fonction de la durée et de la température de dépôt, résulte en une croissance accélérée des grains au détriment de la nucléation. Les procédés de dépôt LPCVD comme indiqué précédemment, sont décrits dans les articles "Symrnetric CMOS in fully-depleted siliconon-insulator using P+ polycristalline Si-Ge gate electrodes (CMOS symétrique dans un isolant sur silicium entièrement épuisé utilisant des électrodes de grille en Si-Ge polycristallin P+)" Neal KISTLER et Jason WOO, LEDM 93, p. 727-730, et "A polycrystalline-Sil~ Ge,- GATE CMOS TECHNOLOGY (Technologie CMOS à grille en Si xGex polycristallin)" T. KlNG et al., IEDM 90, p. 253-256. Ces procédés de l'art antérieur présentent plusieurs inconvénients. Tout d'abord, ils nécessitent une couche d'accrochage en silicium d'épaisseur trop importante, de 5 à 10 nm, ce qui peut nuire à l'effet recherché de décalage de la tension de seuil Vt du dispositif final car les propriétés électriques dépendent de l'épaisseur de l'interphase entre la couche d'oxyde de silicium et la couche de Si1 xGex, ces propriétés électriques variant à raison de variations de 2 nm de l'épaisseur de l'interphase. L'utilisation de la technique multiplaques "discontinue" s'avère peu pratique car il faut tenir compte des masses thermiques des lots de plaques, par exemple des plaques de 200 mm, des temps de purge et de stabilisation en température, ainsi que de la basse pression de travail qu'exigent les réacteurs. D'autre part, l'inertie thermique de ces réacteurs multiplaques qui rend difficile les variations importantes nécessaires de la température, ne permet pas un dépôt optimum de la couche d'accrochage, de la couche de Si1 xGex et éventuellement d'une couche de silicium protectrice. La présente invention a donc pour objet de fournir un procédé d'obtention d'une couche continue de Si1 xGex polycristallin où O L'invention a encore pour objet un tel procédé d'obtention d'une couche continue de Sil xGex polycristallin ayant une taille de grain compatible avec les technologies de fabrication des dispositifs semiconducteurs à canal court c 0,18 ,um. Selon l'invention, on fournit un procédé d'obtention d'une couche continue de Sil xGex polycristallin où O - un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur le substrat, en particulier une couche d'oxyde de silicium, d'une couche de silicium d'accrochage d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 nm en utilisant un mélange gazeux à une température inférieure ou égale à 580 C; et - un dépôt chimique en phase vapeur sur la couche d'accrochage d'une couche continue de Si1 xGex à partir d'un mélange gazeux à une température inférieure ou égale à 550"C. Le procédé selon l'invention peut en outre comporter une étape supplémentaire, à l'intérieur du réacteur monoplaque, de dépôt chimique en phase vapeur d'une couche de silicium de protection sur la couche de Si1 xGex en utilisant un mélange gazeux. Les réacteurs monoplaques pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, sont connus dans la technique et comprennent un dispositif central de chargement de plaques qui introduit une par une selon une séquence pré-établie, les plaques, par exemple des plaques de 200 mm de diamètre, dans des chambres de traitement réparties autour de ce dispositif central de chargement. Un tel type de réacteur est le modèle Centura HT8 commercialisé par la Société Applied Materials. L'utilisation d'un tel réacteur monoplaque permet de travailler à des pressions de l'ordre de 100 Pa à la pression atmosphérique, de varier rapidement la température de la plaque traitée pour mettre en oeuvre les différentes étapes de dépôt à la température optimale pour chaque couche de l'empilement et le tout dans un temps compatible avec les exigences d'une production industrielle. Les variations rapides et contrôlées de la température permettent la croissance de couches uniformes en épaisseur et composition en un temps court, ce qui limite les effets de croissance des grains et donc la rugosité. La couche d'oxyde de silicium servant préférentiellement de substrat, généralement une couche d'oxyde de grille pour un dispositif semi-conducteur, a typiquement une épaisseur La première étape du procédé de l'invention consiste à déposer sur le substrat, de préférence une couche d'oxyde de silicium, dans le réacteur monoplaque, une couche d'accrochage en silicium d'épaisseur La température de dépôt de la couche d'accrochage est comprise entre 500 et 5800C, de préférence entre 540 et 5600C. La pression de dépôt est généralement comprise entre 6 kPa et 27 kPa, de préférence entre 10 kPa et 13,5 kPa. Une caractéristique importante de cette étape de dépôt de la couche d'accrochage en silicium est que l'épaisseur de la couche d'accrochage finale soit Par conséquent, la durée de cette étape de dépôt doit être déterminée en fonction des autres conditions de dépôt pour s'assurer que l'épaisseur de la couche d'accrochage soit inférieure ou égale à 1 nm. La réalisation d'une telle couche d'accrochage d'épaisseur inférieure ou égale à 1 nm, permet d'obtenir un dépôt d'une couche de Si1 xGex polycristallin ayant une granulométrie minimale, de l'ordre de 3 nm dans le cas le plus défavorable, sans affecter les propriétés électriques (décalage de la tension de seuil Vt). La deuxième étape du procédé selon l'invention est le dépôt d'une couche de Sil xGex polycristallin où 0 Les proportions des différents gaz du mélange varient en fonction des teneurs en germanium et silicium souhaitées pour la couche de Sil xGex et peuvent être aisément déterminées par l'homme du métier en fonction de la composition voulue pour la couche de Si1 xGex polycristallin. Le dépôt s'effectue à une température comprise entre 400 et 550"C, et de préférence entre 450 et 5500C. Plus la teneur en germanium du mélange gazeux est élevée, plus basse doit être la température de dépôt. Ainsi, pour le dépôt d'une couche de germanium pur, la température de dépôt sera comprise entre 400 et 4500C. La pression de dépôt est généralement comprise entre 6 kPa et 270 kPa, de préférence entre 100 kPa et 135 kPa. La durée du dépôt est fonction des conditions de température et de pression, des proportions des différents gaz dans le mélange gazeux et de l'épaisseur voulue pour la couche de Si1 xGex polycristallin. Généralement, l'épaisseur de la couche de Sil Ge polycristallin sera comprise entre 50 nm et 200 nm, de préférence entre 100 et 150 nm, et mieux entre 80 et 150 nm. La couche de Sil,,Gex polycristallin peut être dopée, par exemple avec des atomes de bore ou de phosphore. Ce dopage peut s'effectuer de manière classique par un procédé d'implantation classique après formation de la couche de Si1 xGex polycristallin. On peut également obtenir un dépôt direct d'une couche de Si1 xGex polycristallin dopée, par exemple avec du bore ou du phosphore, en ajoutant au mélange de gaz utilisé pour le dépôt par CVD un composé gazeux de l'élément dopant voulu, par exemple B2Hg ou PH3. La proportion de composé gazeux de l'élément dopant dans le mélange gazeux sera fonction de la teneur voulue en élément dopant dans la couche déposée. Généralement, les niveaux de dopage sont égaux ou supérieurs à 1017 cm3 et de préférence de l'ordre de 1021 cm3. Dans le cas du dépôt direct d'une couche de Sil xGexpolycristallin dopé, il est recommandé pour éviter un percement de la mince couche de SiO2 servant de substrat, d'effectuer un pré-dépôt d'une couche de Si1 xGex polycristallin non dopé avant de déposer la couche de Si1 xGex polycristallin dopé. Ce pré-dépôt, d'une épaisseur suffisante pour la protection du substrat sous-jacent, s'effectue comme décrit précédemment pour le dépôt de la couche Si1 xGex polycristallin. Une fois le pré-dépôt effectué, on ajoute au mélange gazeux le composé gazeux de l'élément dopant pour effectuer le dépôt de la couche de Si1 xGex polycristallin dopé comme indiqué ci-dessus. Eventuellement, le procédé de l'invention peut comporter le dépôt d'une couche de silicium d'encapsulation sur la couche de Si1 xGex. Le dépôt de cette couche d'encapsulation qui peut être également dopée, s'effectue de préférence dans le réacteur monoplaque en utilisant un mélange gazeux classique, par exemple un mélange de silane et hydrogène, éventuellement contenant un composé gazeux de l'élément dopant tel que B2H6 et PH3, dans les conditions classiques. La couche d'encapsulation a généralement une épaisseur de 50 à 200 nm, de préférence de 50 à 100 nm. Exemple 1 On a réalisé, dans un réacteur monoplaque, en utilisant le procédé de la présente invention, le dépôt d'une couche de Sil xGex où x = 0,55 sur une couche d'oxyde de silicium d'une plaquette pour une filière CMOS à canal c 0,18 m, avec les conditions indiquées cidessous a. Dépôt d'une couche d'accrochage en silicium. - Stabilisation de la température à 550"C. - Dépôt par CVD (SiH4/H2) d'une couche de silicium d'épaisseur inférieure à 0,5 nm (mesurée par cinétique de croissance et estimée par ellipsométrie). SiH4 75 cm3/min standard H2 10 I/min standard Température: 550"C Pression: 10,6 kPa Durée du dépôt: 60 secondes. b. Dépôt d'une couche de Si1 xGex polycristallin, x = 0,55, d'une épaisseur de 120 nm. - Stabilisation de la température à 550 C. - Dépôt de la couche de Si1 xGex par CVD (SiH4/GeH4/H2). SiH4 75 cm3/min standard GeH4 (10% dans H2) 220 cm3/min standard H2 4 l/min standard Température: 550 C Pression : 10,6 kPa Durée du dépôt: 110 secondes. c. Dépôt d'une couche d'encapsulation de silicium d'une épaisseur de 80 nm. - Stabilisation de la température à 650 C. - Dépôt de la couche de silicium par CVD. SiH4 220 cm3/min standard H2 10 l/min standard Température: 6500C Pression : 10,6 kPa Durée du dépôt: 120 secondes. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'une couche de Si1 xGex polycristallin où 0 - un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à une température inférieure ou égale à 580"C sur le substrat d'une couche d'accrochage de silicium d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 nm; et - un dépôt chimique en phase vapeur à une température inférieure ou égale à 550"C sur la couche d'accrochage d'une couche continue de si 1 -xGex 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est une couche d'oxyde de silicium. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans le réacteur monoplaque un dépôt chimique en phase vapeur sur la couche de Sil xGex polycristallin d'une couche de silicium d'encapsulation. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dépôt de la couche d'accrochage s'effectue à une température comprise entre 500 et 580"C et le dépôt de la couche Si1 xGex s'effectue à une température comprise entre 400 et 5500C. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'accrochage a une épaisseur d'environ 0,5 nm. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux pour le dépôt de la couche d'accrochage est formé à partir d'un mélange de silane et d'hydrogène. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux pour le dépôt de la couche de Sil Ge polycristallin est formé à partir d'un mélange de silane, germane et hydrogène. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux pour le dépôt de la couche de Si1 xGex polycristallin est formé à partir d'un mélange de gaz contenant un composé gazeux d'un élément dopant. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le composé gazeux d'un élément dopant est B2H6 ou PH3. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que le composé gazeux de l'élément dopant est introduit dans le mélange gazeux après le dépôt d'une couche de Si1 xGex non dopé. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans la couche de Si1 xGex, x est compris entre 0,05 et 1, de préférence entre 0,25 et 1, et de préférence encore entre 0,5 et 1.