Brevet FR2799049A1 — publié le 20010330

Procédé pour empecher la diffusion de bore dans le silicium par implantation ionique de carbone. L'invention concerne un procédé pour empêcher la diffusion de bore dans le silicium (Si) par implantation ionique de carbone, et plus particulièrement lors de la réalisation d'un transistor bipolaire à hétérojonction (TBH) de la filière Silicium-Germanium (SiGe). Toutefois, le procédé selon l'invention peut également s'appliquer lors de la réalisation d'autres composants semi-conducteurs tels que le transistor MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) afin de régler le problème des effets de canal court par exemple. La réalisation de composant semi-conducteur comporte de nombreuses étapes complexes aboutissant à un empilement de couches de nature différente. La différenciation de ces couches est faite par dopage. Le dopage consiste soit à introduire des impuretés ( ions dopants ) dans un matériau semi-conducteur à l'aide des techniques de diffusion thermique d'implantation ionique, soit à faire croître une nouvelle couche au dessus du matériau semi-conducteur à l'aide de la technique d'épitaxie. Un dopage est qualifié de dopage positif ou de dopage négatif selon la nature des ions dopants utilisés et la nature du matériau semi-conducteur. Par principe, un transistor bipolaire à hétérojonction de la filière SilSiGe comporte trois couches de matériau semi-conducteur. A titre d'exemple les trois couches peuvent être une première couche de Si dopée négativement, une seconde couche de SiGe dopée positivement à l'aide de bore et réalisée sur la première couche, et une troisième couche de Si dopée négativement et réalisée sur une partie de la seconde couche. La première couche constitue le collecteur, la seconde couche constitue -la base et la troisième couche constitue l'émetteur du TBH. Le TBH est remarquable dans le sens que la jonction Si-SiGe ( collecteur-base et base-émetteur ) est une hétérojonction car les deux matériaux semi-conducteurs Si et SiGe ne sont pas de même nature. Les facteurs permettant d'améliorer considérablement les caractéristiques techniques TBH sont entre autres l'obtention d'hétérojonctions fines dites abruptes, c'est-à-dire permettant par exemple de passer brusquement d'un dopage positif uniforme à un dopage négatif uniforme, et une épaisseur de base très petite. Une base réduite garantit un faible temps de transit des électrons entre l'émetteur et le collecteur, donc une fréquence maximum de fonctionnement du TBH élevée. Comme décrit précédemment, la base d'un TBH de la filière Si/SiGe est généralement dopée par le bore. Cependant, le bore a plutôt tendance à facilement diffuser vers les couches adjacentes en élargissant ainsi la base, ce qui dégrade considérablement les caractéristiques techniques du TBH. Le mécanisme de diffusion du bore est un mécanisme complexe dans lequel les ions dopants (bore) progressent par échange avec des lacunes chargées positivement. D'une façon générale, la diffusion des dopants dans les semiconducteurs est fonction de la concentration et de la température. Le bilan thermique dans les filières de fabrication d'un composant semiconducteur comportant au moins une région dopée par le bore doit donc être faible. Mais différentes étapes telles que l'oxydation ou encore l'implantation ionique, généralement réalisées au cours de la fabrication d'un composant semiconducteur, peuvent accélérer la diffusion des dopants. On connaît des méthodes pour empêcher la diffusion de bore dans le cas de fabrication d'un TBH. Une méthode consiste à incorporer du carbone dans des sites substitutionnels au cours de la fabrication de la base du TBH au moyen de la technique d'épitaxie dite de dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou au moyen de la technique dite de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Cette méthode est très complexe à mettre en oeuvre car elle nécessite, par exemple dans le cas d'une technique PVD -par évaporation, d'avoir une source de matériau à déposer portée à haute température et disposée dans un réacteur sous vide. La croissance épitaxiale demande un contrôle efficace de la température pour que les atomes du matériau à déposer une fois transformés en vapeur par évaporation aient une mobilité suffisante pour pouvoir migrer et assurer une croissance régulière sur un cristal. Ainsi la croissance de la base avec en même temps l'incorporation de carbone nécessite l'ajout d'une source supplémentaire de carbone dans le réacteur, ce qui entraîne des complications de maintenance, de mesure de débit et de contamination du réacteur. En outre, des étapes de recuit d'activation de dopants à environ 1025 C pendant plusieurs secondes généralement réalisées à la suite des techniques décrites ci-dessus, ne sont pas effectuées complètement pour ne pas favoriser la diffusion. Les caractéristiques du composant semiconducteur réalisé ne sont pas alors optimum. Un but de l'invention est de fournir un procédé pour empêcher la diffusion de bore qui remédie aux inconvénients ci- dessus. En particulier, la présente invention a pour but de fournir un procédé pour empêcher la diffusion de bore lors de la fabrication d'un composant semiconducteur tel qu'un qui n'empêche pas la réalisation complète de toutes les étapes de recuit d'activation. L'homme du métier comprendra aisément que la présente invention peut s'appliquer avantageusement à toute filière de fabrication autre que le TBH Si/SiGe afin d'empêcher la diffusion de bore. Les buts ci-dessus sont atteints selon l'invention par un procédé pour empêcher le bore présent comme dopant dans une région prédéterminée d'un composant semi-conducteur de diffuser dans au moins une région adjacente à la région prédéterminée au cours de la fabrication du composant, qui comprend l'introduction par implantation ionique dans la région prédéterminée d'une dose de car bone comprise entre 0,1 et 117o atomique. Contrairement à l'état de la technique antérieure dans lequel carbone est incorporé in situ lors de la formation par épitaxie de la région à protéger, selon l'invention on utilise la technique d'implantation ionique qui comporte de nombreux avantages tels que - un faible coût de revient lié à la rapidité de la technique permettant de produire un nombre important de composants; - une pureté "ionique" car il est possible de travailler sous vide et de trier des ions par des procédés électroniques de façon à obtenir un faisceau mono-énergétique très pur de l'atome dopant; - la possibilité d'une implantation sélective par masquage; et - le contrôle assez précis de la dose d'ions dopants implantés ainsi que leur profondeur de pénétration. De préférence, l'énergie d'implantation est telle que le maximum de la distribution des ions de carbone implantés se trouve la région prédéterminée. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le composant semi-conducteur est un transistor bipolaire à hétérojonction (TBH). Avantageusement, on implante le carbone après.la formation du collecteur et de la base du transistor bipolaire hétérojonction (TBH). Et dans ce cas, la région prédéterminée est la base du TBH et la région adjacente est le collecteur du TBH. L'incorporation du carbone après la formation du collecteur et de la base diffère avantageusement de la méthode employée selon l'état de la technique antérieure car elle permet d'utiliser la technique d'implantation ionique. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un transistor bipolaire à hétérojonction comprenant les étapes suivantes a) la formation sur un substrat de silicium, par épitaxie et dopage in situ, d'une mince couche d'alliage SiGe fortement dopée avec du bore; b) l'implantation ionique de phosphore avec première et une seconde énergie d'implantation, la seconde énergie d'implantation étant inférieure à la première, de manière à former dans le substrat une première région fortement dopée avec du phosphore séparée de la mince couche d'alliage SiGé par une seconde région faiblement dopée avec du phosphore. Selon l'invention, après l'étape b) on introduit par implantation ionique une dose de carbone comprise entre 0,1 et 1% atomique dans la mince couche d'alliage SiGe. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre et des dessins annexés qui représentent respectivement - figure 1; une vue schématique en coupe d'un transistor bipolaire à hétérojonction (TBH); - figures 2a, 2b et 2c, des vues schématiques en coupe des étapes principales de fabrication d'un transistor bipolaire à hétérojonction (TBH) incorporant le procédé d'implantation de carbone selon l'invention; - figure 3, des courbes de la concentration en bore en fonction de la profondeur dans la base pour des transistors bipolaires à hétérojonction soumis à des traitements anti-diffusion de l'art antérieure (D2, D3) et selon l'invention (D4), après traitement thermique, et pour un transistor bipolaire à hétérojonction dont la base a été dopée par épitaxie à basse température (D1.), et qui n'a pas subi de traitement thermique. Bien que la description sera faite pour un transistor bipolaire à hétérojonction (TBH) en particulier ayant une base en alliage SiGe, elle peut s'appliquer à tout autre dispositif semi-conducteur approprié. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un transistor bipolaire à hétérojonction structurée de manière conventionnelle. Il est constitué d'un empilement de couches de Si et de SiGe. Ce transistor comprend plus précisément une première couche 1 de Si fortement dopée négativement (N+) sur laquelle est réalisée une seconde couche 2 de Si légèrement dopée négativement (N-). Ensuite, une couche 3 en SiGe fortement dopée positivement (P+), à l'aide d'atomes de bore par exemple, recouvre une partie supérieure de la couche 2 de Si (N-). Enfin deux couches de Si sont réalisées sur une partie supérieure de la couche 3 de SiGe, une première couche 4 de Si légèrement dopée négativement (N-) adjacente à la couche 3 de SiGe et une seconde couche 5 de Si fortement- dopée négativement (N+) adjacente à la couche 4 de Si. Les trois couches centrales 2, 3 et 4 constituent le coeur du TBH. La couche 3 de SiGe constitue la base du TBH. Elle doit être fine. Un contact métallique 8 est disposé sur la partie supérieure de la couche 3 laissée libre. Le contact métallique 8 est sous forme d'un anneau autour des couches supérieures 4 et 5 de Si. La couche 3 de SiGe dopée par le bore contient également des atomes de carbone que l'on a incorporés selon l'invention pour empêcher la diffusion du bore. Généralement la fabrication d'un TBH se fait par réalisation des couches successives suivant la direction verticale ascendante (de la couche 1 jusqu'à la couche 5). La couche 4 de Si (N-) constitue l'émetteur du TBH. Elle est surmontée de la couche 5 de Si fortement dopée (N+). La couche 5 permet de réaliser une bonne liaison entre la couche 4 et un contact métallique 7 disposée sur la couche 5. La couche 2 de Si (N-) constitue le collecteur du TBH. Comme pour l'émetteur, elle est réalisé sur une couche 1 de Si fortement dopée (N+) servant de lien avec un contact métallique 6. Les figures 2a à 2c illustrent les étapes d'incorporation de carbone lors de la fabrication d'un TBH selon l'invention. On a représenté sur la figure 2a une couche 9 de Si sur laquelle on a déposé une couche 10 de SiGe fortement dopée positivement (P+) par des atomes de bore. La couche 10 de SiGe constitue la base du TBH. Cette base est réalisée par épitaxie de SiGe et est dopée avec du bore soit in situ soit après formation par implantation ionique. Comme on le voit sur la figure 2b, on réalise ensuite le dopage de la couche 9 de Si de façon à former le collecteur du TBH. Pour ce faire, on réalise une première implantation ionique 11 d'atomes de phosphore (P) ayant une énergie de 400 keV (kilo- électron-volt) pour obtenir une première couche 9a de Si fortement dopée négativement (N+) placée au niveau bas dans la couche 9 de Si. La couche 9a joue le même rôle que la couche 1 sur la figure 1. Puis, on réalise une deuxième implantation ionique 11 d'atomes de phosphore (P) ayant une énergie de 100 keV pour obtenir une deuxième couche 9b de Si faiblement dopée négativement (N-). L'énergie des ions de la deuxième implantation ionique (100 keV) étant inférieure à celle (400 keV) des ions de la première implantation ionique, ces ions de la deuxième implantation ionique pénètrent moins dans la couche 9 de Si. La couche 9b se trouve donc au dessus de la couche 9a dans la couche 9 de Si. La couche 9b joue le même rôle que la couche 2 sur la figure 1. Les énergies 100 keV et 400 keV sont déterminées de telle façon que les ions de phosphore traversent la couche 10 de SiGe (la base) et pénètrent dans la couche 9 de Si. Comme on le voit sur la figure 2c, on incorpore alors du carbone (C) dans la couche 10 de SiGe (la base) par une implantation ionique 12. L'énergie des ions de carbone est de 35 keV, ce qui leur permet de pénétrer dans la base et d'avoir une distribution dont le sommet se trouve sensiblement au milieu de la base. La dose de carbone implantée comprise entre 0,1 et 1 yo atomique au maximum de la distribution. L'implantation ionique est une technique consistant à accélérer des ions, qui pénètrent dans un matériau cible en perdant leur énergie par des collisions successives avec des électrons et des atomes du matériau cible. Il est alors nécessaire que le matériau subisse un recuit à très haute température pour reconstituer le réseau cristallin partiellement détruit par l'arrivée des ions extérieurs et activer en même temps les dopants. Ainsi, une fois des ions de carbone implantés dans base par le procédé de l'invention, l'élément constitué par les couches 9 et 10, peut subir un recuit à très haute temperature sans que le bore ne diffuse dans la couche 9b de Si adjacente. Les étapes ultérieures pour la réalisation de la partie émetteur du TBH peuvent alors être réalisées en effectuant complètement les étapes de recuit nécessaires sans que le bore ne diffuse, alors que dans l'état de la technique antérieure les étapes de recuit étaient écourtées, par exemple à 20 secondes au lieu des 30 secondes normalement nécessaires. La figure 3 est un graphe qui regroupe quatre courbes de profil de diffusion obtenues par la méthode de spectroscopie de masse d'ions secondaires (SIMS). La méthode SIMS consiste à analyser en masse et en profondeur des ions arrachés de la surface d'un échantillon par un faisceau d'ions énergétiques. Les quatre courbes correspondent respectivement à quatre échantillons qui ont subi différentes opérations. Au départ, les quatre échantillons sont identiques à l'élément de la figure 2a, une couche de SiGe fortement dopée positivement par le bore est formée par épitaxie basse température et dopage in situ sur une couche de Si non dopée. La première courbe D 1 est un profil SIMS de la concentration en bore correspondant à un premier des échantillons tel qu'obtenu précédemment (témoin). La seconde courbe D2 est un profil SIMS de la concentration en bore correspondant à un second des échantillons précédents qui a été soumis à un recuit à 1025 C pendant 30 secondes. L'élargissement de la courbe D2 par rapport à la courbe témoin D1 montre que le bore diffuse vers l'intérieur du substrat (profondeurs croissantes) ainsi que vers la surface extérieure. La courbe D3 est un profil SIMS correspondant à un troisième des échantillons précédents qui a d'abord subi une implantation ionique d'atomes de phosphore pour le dopage du collecteur (pour former les couches 9a et 9b de la figure 2b) puis un traitement thermique identique à celui subi par le deuxième échantillon, c'est-à-dire un recuit à 1025 C pendant 30 secondes. L'élargissement plus grande de la courbe D3 par rapport à la courbe D2 montre que la diffusion du bore est encore plus importante. Enfin, la courbe D4 est un profil SIMS correspondant au quatrième des échantillons précédents auquel on a fait subir le même traitement que le troisième échantillon, mais avec en plus entre l'étape de dopage du collecteur et l'étape de recuit à 1025 C pendant 30 secondes, une implantation ionique de carbone selon l'invention avec une énergie de 35 keV. La dose de carbone implantée est de 1015 atomes/cm2. On voit que la courbe D4 se superpose pratiquement à la courbe témoin Dl, ce qui démontre que dans ce cas le bore n'a pratiquement pas diffusé. La présente invention permet donc de réaliser un transistor bipolaire à hétérojonction comportant une base étroite afin de garantir des caractéristiques techniques réelles telles que la fréquence maximum de fonctionnement, proches caractéristiques théoriques. L'ensemble des caractéristiques techniques peut être en nette amélioration puisque les traitements thermiques nécessaires à l'activation des dopants peuvent effectuer complètement sans entraîner une quelconque diffusion de bore. REVENDICATIONS 1. Procédé pour empêcher le bore présent comme dopant dans une région prédéterminée (10) d'un composant semi-conducteur de diffuser dans au moins une autre région adjacente (9b, 2,'4) à la région prédéterminée cours de la fabrication du composant, caractérisé en ce qu'il comprend l'introduction par implantation ionique (12) dans la région prédéterminée d'une dose de carbone comprise entre 0,1 et 1 7o atomique. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite région prédéterminée est la base (3) d'un transistor bipolaire à hétérojonction. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite base est constituée d'une mince couche d'alliage SiGe. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite région adjacente est le collecteur (2) d'un transistor bipolaire à hétérojonction. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le collecteur est silicium. 6. Procédé de fabrication d'un transistor bipolaire à hétérojonction comprenant les étapes suivantes a) la formation sur un substrat de silicium (9), par épitaxie et dopage in situ, d'une mince couche (10) d'alliage SiGe fortement dopée avec du bore; b) l'implantation ionique (11) de phosphore avec une première et une seconde énergie d'implantation, la seconde énergie d'implantation étant inférieure à la première, de manière à former dans le substrat une première région (9a) fortement dopée avec du phosphore séparée de la mince couche d'alliage SiGe par une seconde région (9b) faiblement dopée avec du phosphore; caractérisé en ce qu'après l'étape b) on introduit par implantation ionique (12) une dose de carbone comprise entre 0,1 et 117o atomique dans la mince couche d'alliage SiGe. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la mince couche (3) d'alliage SiGe constitue la base du transistor. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la région (2) du substrat faiblement dopée avec du phosphore constitue le collecteur du transistor.