Brevet FR2844095A1 — publié le 20040305

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUBSTRAT COMPOSITE DU TYPE SiCOI COMPRENANT UNE ETAPE D'EPITAXIE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat composite du type SiCOI 10 comprenant une étape d'épitaxie réalisée sur la couche de SiC du substrat composite. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Le carbure de silicium ou SiC est un 15 matériau qui a des propriétés physico-chimiques et électroniques bien adaptées à l'électronique de puissance. Ces dispositifs de puissance fonctionnent en vertical, la couche active étant une couche épitaxiée sur un substrat monocristallin de SiC. Malheureusement, 20 la croissance cristalline de substrat massif est réalisée par une technique de type sublimation à plus de 20000C et ne permet pas d'obtenir des substrats avec des qualités, diamètres et cots comparables avec les substrats de silicium par exemple. La fabrication de substrats composites possédant une couche mince monocristalline de SiC liée fermement à un substrat support bas cot (SiC polycristallin ou SiC monocristallin dégradé en qualité cristalline ou en silicium) par exemple représente donc 30 un intérêt important. Pour la réalisation d'un dispositif de puissance de type diode Schottky, diode PIN ou interrupteur de puissance sur SiC, les propriétés requises pour le substrat massif en SiC sont une faible résistivité électrique, une excellente conductivité thermique et une bonne qualité épitaxiale de la couche 5 active épitaxiée sur ce substrat. Cependant, ces substrats ne sont pas en taille quatre pouces et de plus sont très chers. Actuellement, les dispositifs de puissance sont réalisés à partir de substrats et d'épitaxies de 10 polytype 4H ou 6H. Le polytype cubique du carbure de silicium qui a des propriétés adéquates pour la réalisation de tels dispositifs n'est cependant pas disponible en substrat massif. La fabrication de ces substrats composites, 15 que l'on obtient en règle générale par la technique connue sous le nom Smart-Cut , laisse l'entière liberté quant au choix de la barrière de collage entre la couche mince monocristalline reportée et le support et également dans le choix de la résistivité électrique de 20 ce support. Le document FR-A-2 774 214, correspondant au brevet américain N 6 391 799, divulgue un procédé de réalisation d'une structure SOI. Cependant, dans le cas du SiC, ces couches reportées ont une épaisseur de l'ordre de 1 pm et typiquement de 0,5 pm pour obtenir 25 une activité électrique dans cette couche. La réalisation de dispositifs, sur ce type de substrat composite, nécessiterait une reprise d'épitaxie pour obtenir une couche active sans limitation d'épaisseur, nécessaire à la tenue en 30 tension des composants de puissance. Il est possible de réaliser des empilements SiCOI (SiC/oxyde /support) par diverses techniques. Une première solution consiste à partir d'un substrat SOI (obtenu par les procédés SIMOX ou Smart-Cut ) et de réépitaxier du SiC cubique après conversion partielle de la couche de silicium 5 superficielle. Dans ce cas, seul le polytype 3C est obtenu. De plus, des trous sont créés dans la couche d'oxyde pendant l'épitaxie comme cela est rapporté par les articles "Selective Deposition of 3C-SiC Epitaxially Grown on SOI Substrates"' de M.Eickhoff et 10 al., Materials Science Forum Vols. 353- 356 (2001) pages à 178 et "Role of SIMOX defects on the structural properties of 5-SiC/SIMOX" de G. Ferro et al., Materials Science and Engineering B61-62 (1999) pages 586 à 592. On a observé que ces défauts pouvaient être 15 réduits en éliminant les trous dans la couche superficielle de SiC. Il a été proposé également mais sans succès d'intercaler une couche de Si3N4. On peut se référer à ce sujet à l'article "Stabilization of the 3C-SiC/SOI system an intermediate silicon nitride 20 layer" de S.Zappe et al., Materials Science and Engineering B61-62 (1999), pages 522 à 525. Le polytype cubique est épitaxié à une température de l'ordre de 1350 C et la tendance est de développer des procédés à des températures de 1250 C environ pour limiter la 25 dégradation de l'oxyde. Une deuxième solution consiste à réaliser un empilement de matériau SiC sur un substrat électriquement isolant. Il s'agit par exemple d'un empilement SiC/oxyde/Si. Cet empilement est réalisé par 30 le procédé Smart-Cut . Il a l'avantage de permettre l'obtention de SiC 6H, 4H et 3C comme couche mince reportée. Mais, comme expliqué précédemment et compte tenu de l'utilisation d'équipements utilisés couramment dans l'industrie de la microélectronique, notamment les équipements d'implantation ionique, l'épaisseur 5 maximale des films de SiC transférés électriquement actifs est de l'ordre de 1 pm. Pour la réalisation de dispositifs électroniques, il est souvent nécessaire de disposer d'une couche mince de SiC plus épaisse avec des niveaux 10 de dopage différents et fortement contrôlés. Il semble donc nécessaire de recourir à une étape de dépôt épitaxial comme c'est le cas pour les substrats massifs en SiC. Cependant, la reprise d'épitaxie sur de tels substrats composites pose problème, et ce pour deux 15 raisons principales. Tout d'abord, la présence du support de silicium limite la température d'épitaxie aux alentours de 1413 C maximum si l'on ne veut pas que le silicium fonde. Or, cette température est à peine suffisante 20 pour obtenir les polytypes 6H et 4H (1450 C permettrait d'obtenir de meilleurs résultats). Des inclusions de SiC cubique dans la couche sont observées au moindre défaut de surface. D'autre part, le dopage non intentionnel des couches de SiC est augmenté à basse 25 température. De plus, la présence d'oxyde rend a priori impossible la tenue du pseudosubstrat aux températures d'épitaxie nécessitées pour le carbure de silicium. En effet aux températures d'épitaxie classique, c'est-à30 dire 1450 C et au-delà l'oxyde est fortement attaqué en ambiance hydrogène qui est l'ambiance pour l'épitaxie. Ceci est confirmé par l'article "Selective Epitaxial Growth of Silicon Carbide on Patterned Silicon Substrates using Hexachlorodisilane and Propane" de Chacko Jacob et al., Materials Science Forum Vols. 338342 (2000), pages 249 à 252. Cependant, même sans 5 ambiance hydrogène, sous vide l'oxyde se vaporise dès 1200 C. On pourrait envisager de remplacer l'oxyde de silicium comme couche de collage par du nitrure de silicium, cependant pour de nombreuses applications, il est très important d'un point de vue électrique d'avoir 10 une couche d'oxyde de silicium enterrée. Une troisième solution consiste à réaliser un empilement de matériau SiC sur un substrat électriquement isolant tenant la haute température. On peut ainsi réaliser un substrat SiCOI sur support SiC 15 polycristallin ou SiC monocristallin de mauvaise qualité ou sur un autre support tenant la haute température. Il s'agit du même empilement que précédemment o le silicium support est, par exemple, remplacé par du SiC polycristallin. Cela permet de 20 lever le problème de la fusion du silicium. Mais il reste le problème de la dégradation de l'oxyde. L'obtention d'un tel empilement se fait par le procédé Smart-Cut . Le SiC de la couche mince est du polytype voulu. Il n'est apparemment pas fait état dans la littérature technique correspondante de travaux sur des épitaxies de SiC de polytype 6H ou 4H sur des substrats SiCOI. Cela est d au fait qu'il est acquis que, pour des températures allant jusqu'à 1350 C, la qualité de 30 l'épitaxie de polytypes 6H et 4H sera de piètre qualité (cas de l'épitaxie sur SICOI avec plaque support silicium). D'autre part, au-delà de 1400 C, l'oxyde sera dégradé, c'est-à-dire détruit, voire recristallisé. EXPOSE DE L'INVENTION Les inventeurs de la présente invention sont cependant parvenus à réaliser des épitaxies sur tous ces différents types de matériaux et ont obtenu plusieurs résultats satisfaisants de façon inattendue. 10 L'oxyde ne s'est pas détérioré à haute température (14100C - 1600 C) quand on a réalisé des épitaxies sur des substrats SiCOI formés d'un support en SiC supportant successivement une couche d'oxyde de silicium et une couche mince de SiC, permettant la 15 réalisation d'épitaxies de bonne qualité, comparables aux épitaxies sur du SiC massif. Les inventeurs ont également réalisé des épitaxies de SiC de polytype 6H et 4H sur des substrats SiCOI pour lesquels le support est en silicium. Des 20 résultats encourageants ont été obtenus. L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'un substrat composite du type SiCOI comprenant les étapes suivantes: - fourniture d'un substrat initial 25 comprenant un support en Si ou en SiC supportant une couche de SiO2 sur laquelle est reportée une couche mince de SiC, épitaxie de SiC sur la couche mince de SiC, caractérisé en ce que l'épitaxie est réalisée aux températures suivantes: - à partir de 1450 C pour obtenir une épitaxie de polytype 6H ou 4H sur une couche mince reportée de polytype 6H ou 4H respectivement, si le support est en SiC, à partir de 1350 C pour obtenir une 5 épitaxie de polytype 3C sur une couche mince reportée de polytype 3C, si le support est en Si ou en SiC, à partir de 1350 C pour obtenir une épitaxie de polytype 6H ou 4H sur une couche mince reportée de polytype 6H ou 4H respectivement, si le support est en Si. Avant l'étape d'épitaxie, il peut être prévu une étape de préparation du substrat initial pour améliorer la qualité de surface de la couche mince reportée de SiC. Cette étape de préparation peut 15 consister à soumettre la surface de la couche mince reportée de SiC à une opération choisie parmi le polissage, la gravure et une attaque à l'hydrogène. Plusieurs couches de SiC peuvent être successivement épitaxiées sur la couche mince de SiC. L'invention a également pour objet l'utilisation du substrat composite du type SiCOI obtenu par le procédé de fabrication ci-dessus pour la réalisation de dispositifs semiconducteurs. L'invention a encore pour objet un 25 dispositif semiconducteur réalisé sur un substrat composite du type SiCOI obtenu par le procédé de fabrication ci-dessus. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un substrat SiCOI dont la couche mince de SiC a reçu une épitaxie de SiC, selon l'invention, - la figure 2 est une vue en cupe transversale d'une diode Schottky réalisée en appliquant le procédé selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe 10 transversale d'une diode bipolaire, de type PIN, réalisée en appliquant le procédé selon l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un transistor MESFET réalisé en appliquant le procédé selon l'invention, - la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un transistor MOSFET réalisé en appliquant le procédé selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Des épitaxies de SiC ont été réalisées sur des substrats SiCOI tels que celui représenté à la figure 1 et formé d'un support 1 supportant successivement une couche d'oxyde de silicium 2 et une 25 couche mince de SiC 3. La couche mince 3 est une couche reportée. Le report peut être obtenu par la technique Smart-Cut . Pour un support 1 en SiC, on a réalisé des épitaxies de SiC de polytype 6H et 4H sur des couches 30 minces 3 respectivement de polytype 6H et 4H à une température de 1450 C à 1550 C. On a aussi réalisé une épitaxie de SiC de polytype 3C sur une couche mince 3 de polytype 3C à partir de 1350 C. Ces couches épitaxiées sont référencées 4 sur la figure 1. Durant l'épitaxie, la pression était la pression atmosphérique ou la pression du vide. Les gaz 5 utilisés étaient de l'hydrogène H2 pour un flux de 3 à 200 1/min, du silane SiH4 à raison de 4 à 2000 cm3 normaux/min (4 à 2000 sccm) et du propane C3H8 à raison de 4 à 2000 cm3 normaux/min (4 à 2000 sccm). Le dopant utilisé pour déposer des couches dopées de SiC était 10 l'azote à raison de 2 à 2000 cm3 normaux/min (2 à 2000 sccm). L'épitaxie a été réalisée par une technique CVD. Préalablement à l'épitaxie, la couche mince 3 peut être préparée par polissage ou gravure afin d'en améliorer la surface. On peut également effectuer in 15 situ une attaque de la surface de la couche mince 3 par de l'hydrogène. Les qualités d'épitaxie et les niveaux de dopage obtenus sont équivalents à ceux obtenus en partant de substrats massifs. Des épitaxies de SiC de polytype 6H et 4H sur des substrats SiCOI à couche mince de SiC de polytype correspondant et à support en silicium ont également été effectuées. De façon inattendue, des épitaxies de bonne 25 qualité ont été obtenues à 1400 C sur une couche mince reportée de SiC de polytype 4H à désorientation de surface de 8 off. Dans le cas d'une couche mince de SiC de polytype 6H, des inclusions de cubique ont été 30 observées. Ceci est probalement d à la désorientation de surface du matériau utilisé pour la couche mince. Cette désorientation était de 3,5 off. Il apparaît qu'une couche mince de SiC 6H désorienté de 8 off fournirait le même résultat que pour la couche mince de SiC 4H précédente. I1 est également possible d'épitaxier du 5 SiC 3C à partir de 1413 C en utilisant des substrats composite initiaux formé d'un support 1 en SiC, d'une couche d'oxyde de silicium 2 et d'une couche mince de SiC 3C. Le fait d'utiliser un support en SiC plutôt qu'en silicium permet d'épitaxier à plus haute 10 température. Avec le procédé selon l'invention, les avantages de la filière épitaxie sur substrat massif sont conservés: - qualité épitaxiale de la couche active 15 équivalente à la qualité épitaxiée sur ce substrat, - faible résistance à l'état passant suivant l'architecture du composant, du choix de la plaque support ou du dopage de la sole pour la prise de contact ohmique, - bonne conductivité thermique (suivant l'architecture du composant). On obtient même des avantages supplémentaires: - possibilité d'avoir une résistivité 25 électrique plus faible puisque la sole conductrice n+ est faite par épitaxie et peut atteindre des dopages plus élevés que ceux des substrats, - possibilité d'utiliser des plaques support de diamètre quatre pouces ou au delà pour être 30 compatible avec les lignes de production silicium. La démonstration de la faisabilité de ces épitaxies permet d'envisager la réalisation de nombreuses applications. En effet, par la démonstration de ces possibilités, l'épaisseur de SiC sur oxyde peut être augmentée de façon maîtrisée et sans limitation, ce qui n'est pas le cas des empilements comprenant un 5 film de SiC transféré dont l'épaisseur est limitée à 1 pm environ. La réépitaxie permet également l'empilement technologique de couches de dopages différents, ce qui n'est évidemment pas le cas du SiCOI simple. Plusieurs applications peuvent être mentionnées à titre d'exemple. La ou les couches épitaxiées permettent la réalisation d'un dispositif pseudo-vertical sur SiC et substrat isolant (SiCOI) quel que soit le support du 15 transfert. La figure 2 est une vue en coupe transversale d'une diode Schottky réalisée en appliquant le procédé selon l'invention. Le substrat SiCOI initial comprend un support 101 en Si ou en SiC 20 supportant successivement une couche d'oxyde de silicium 102 et une couche mince reportée ou transférée 103 en SiC. Deux épitaxies de SiC successives ont été réalisées pour obtenir une première couche épitaxiée 104 dopée n+ et une deuxième couche épitaxiée 114 dopée 25 n. Des niveaux de lithographie permettent d'obtenir la structure représentée à la figure 2 ainsi que le contact Schottky 105 sur la couche épitaxiée 114 et les contacts ohmiques 106 sur la couche épitaxiée 104. Une gravure 107 permet d'isoler la structure obtenue. La prise de contact en face avant sur la couche tampon 104, fortement dopée et épitaxiée sous la couche active 114, remplace la prise de contact face arrière des dispositifs de l'art connu. Les couches épitaxiées sont plus dopées que les substrats disponibles dans le commerce, ce qui est un autre avantage. La figure 3 est une vue en coupe transversale d'une diode bipolaire, de type PIN, réalisée en appliquant le procédé selon l'invention. Le substrat SiCOI initial comprend un support 201 en Si ou en SiC supportant successivement une couche d'oxyde de 10 silicium 202 et une couche mince reportée ou transférée 203 en SiC. Trois épitaxies de SiC successives ont été réalisées pour obtenir une première couche épitaxiée 204 dopée n+, une deuxième couche épitaxiée 214 dopée n- et une troisième couche épitaxiée 224 dopée p. Des 15 niveaux de lithographie permettent d'obtenir la structure représentée à la figure 3 ainsi que le contact ohmique 205 sur la couche épitaxiée 224 et les contacts ohmiques 206 sur la couche épitaxiée 204. La figure 4 est une vue en coupe 20 transversale d'un transistor MESFET réalisé en appliquant le procédé selon l'invention. Le substrat SiCOI initial comprend un support 301 en Si ou en SiC supportant successivement une couche d'oxyde de silicium 302 et une couche mince reportée ou transférée 25 303 en SiC. Deux épitaxies de SiC successives ont été réalisées pour obtenir une première couche épitaxiée 304 dopée p- ou constituant une couche tampon semiisolante et une deuxième couche épitaxiée 314 dopée n-. Deux zones de surface 305 et 306 de la deuxième couche 30 épitaxiée ont été dopées n+ par implantation. Des contacts ohmiques 307 et 308 ont été réalisés sur les zones de surface 305 et 306 respectivement. Un contact Schottky 309 a été réalisé sur la deuxième couche épitaxiée 314, entre les zones de surface 305 et 306. La figure 5 est une vue en coupe transversale d'un transistor MOSFET réalisé en 5 appliquant le procédé selon l'invention. Le substrat SiCOI initial comprend un support 401 en Si ou en SiC supportant successivement une couche d'oxyde de silicium 402 et une couche mince reportée ou transférée 403 en SiC. Une épitaxie de SiC a été réalisée pour 10 obtenir une couche épitaxiée 404 dopée p. Deux zones de surface 405 et 406 de la couche épitaxiée ont été dopées n+ par implantation. Des contacts ohmiques 407 et 408 ont été réalisés sur les zones de surface 405 et 406 respectivement. Entre les contacts ohmiques 407 et 15 408, une couche d'oxyde de silicium 410 a été créée jusqu'à chevaucher les zones de surface 405 et 406. Enfin, une grille 409, par exemple en polysilicium, a été déposée sur la couche d'oxyde de grille 410. Plus généralement; l'invention s'applique à 20 tout dispositif pour lequel la couche active obtenue par le transfert de type Smart-Cut sur un substrat de type isolant sur matériau ne présente pas une épaisseur ou des qualités électriques satisfaisantes. La démonstration de l'épitaxie sur ce type 25 de support permet d'extrapoler l'utilisation d'empilement SiC transféré (avec plaque support qui tient la température de l'épitaxie considérée) pour élaborer des substrats massifs en les utilisant comme germe de croissance pour les techniques de massif ou 30 comme substrat d'épitaxie pour toute technique d'épitaxie à forte vitesse de croissance. La démonstration de l'épitaxie de SiC 3C monocristallin sur un support autre que du silicium permet d'envisager l'utilisation de ce matériau pour les applications haute puissance et même hyperfréquence pour ce polytype particulier. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un substrat 5 composite du type SiCOI comprenant les étapes suivantes: - fourniture d'un substrat initial comprenant un support (1) en Si ou en SiC supportant une couche (2) de SiO2 sur laquelle est reportée une 10 couche mince (3) de SiC, - épitaxie de SiC (4) sur la couche mince (3) de SiC, caractérisé en ce que l'épitaxie est réalisée aux températures suivantes: - à partir de 1450 C pour obtenir une épitaxie (4) de polytype 6H ou 4H sur une couche mince reportée (3) de polytype 6H ou 4H respectivement, si le support (1) est en SiC, - à partir de 1350 C pour obtenir une 20 épitaxie (4) de polytype 3C sur une couche mince reportée (3) de polytype 3C, si le support (1) est en Si ou en SiC, - à partir de 1350 C pour obtenir une épitaxie (4) de polytype 6H ou 4H sur une couche mince 25 reportée (3) de polytype 6H ou 4H respectivement, si le support (1) est en Si. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant l'étape d'épitaxie, il est prévu une étape de préparation du substrat initial pour 30 améliorer la qualité de surface de la couche mince reportée (3) de SiC. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de préparation consiste à soumettre la surface de la couche mince reportée (3) de SiC à une opération choisie parmi le polissage, la gravure et une attaque à l'hydrogène. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs couches de SiC sont successivement épitaxiées sur la couche mince de SiC. 5. Utilisation du substrat composite du type SiCOI obtenu par le procédé de fabrication selon 10 l'une quelconque des revendications 1 à 4 à la réalisation de dispositifs semiconducteurs. 6. Dispositif semiconducteur réalisé sur un substrat composite du type SiCOI obtenu par le procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.