Brevet FR2857155A1 — publié le 20050107

Procédé de fabrication de couches contraintes de silicium ou d'un alliage de silicium-germanium L'invention concerne les circuits intégrés et plus particulièrement la fabrication de couches contraintes de silicium (Si) ou d'un alliage de silicium et de germanium (SiGe), généralement utilisés dans la fabrication de transistors. En effet, l'application d'une contrainte en tension sur un film de silicium conduit à une augmentation considérable de la mobilité des porteurs. Les techniques actuellement utilisées pour la fabrication de films de Si contraint sont entièrement basées sur l'épitaxie de silicium ou d'un alliage de germanium et de silicium. La première couche de germaniumsilicium obtenue par épitaxie sur un substrat de silicium massif est en compression. Cependant, dès que cette première couche dépasse une certaine épaisseur (dépendant de la concentration de germanium et de la température de dépôt), il y a relâchement de la contrainte et le film de silicium-germanium retrouve son paramètre de maille massif . Ces derniers sont généralement appelés substrat relaxé . Comme ce paramètre de maille est plus élevé que celui du silicium, la croissance épitaxiale d'un film de Si sur cette couche de silicium-germanium relaxée se retrouve en tension. La fabrication de transistors sur ce type de film de silicium contraint a clairement montré l'augmentation des performances des dispositifs grâce à une meilleure mobilité des porteurs. Toutefois, la fabrication de substrats de silicium-germanium relaxé de bonne qualité cristallographique demeure un procédé complexe. En effet, le relâchement de la contrainte dans le film de silicium-germanium se manifeste par la formation d'une forte densité de dislocation qui peut rendre le matériau inutilisable. En faisant croître des films de silicium-germanium ayant un gradient de germanium, la formation de dislocation émergente peut être évitée en surface. Cependant, pour être relaxée, la couche de silicium-germanium doit avoir une épaisseur supérieure à 1!um (selon la concentration en germanium). Cela conduit à des temps de dépôt trop longs et donc peu compatibles avec une utilisation industrielle. De plus, après la phase de dépôt, la couche de silicium- germanium nécessite une étape de polissage mécano-chimique et donc de nettoyage, ce qui rend le procédé coûteux. L'invention vise à apporter une solution à ces problèmes. La présente invention propose donc un procédé de fabrication d'une couche contrainte de silicium ou d'un alliage de silicium et de germanium, comportant: a) la formation d'une couche de silicium ou d'un alliage de silicium-germanium sur une couche d'un matériau ayant un paramètre de maille modifiable, et b) la modification du paramètre de maille. Le matériau à paramètre de maille modifiable est avantageusement du silicium poreux. Ce dernier est en effet capable de faire évoluer de façon continue son paramètre de maille autour de la valeur qu'il possède dans le silicium massif. Cette propriété peut être exploitée afin de faire croître au-dessus du silicium poreux, des couches en relation d'épitaxie. Dans le cas de la croissance hétéroépitaxiale, l'épaisseur des couches contraintes peut même atteindre une épaisseur limite', à laquelle apparaissent des dislocations relâchant la contrainte accumulée. Le procédé selon l'invention permet donc de modifier à volonté, par exemple par simple traitement thermique, sous atmosphère contrôlée, ou par remplissage des pores des couches sous-jacentes, la valeur du paramètre de maille du matériau poreux (valeur de la contrainte de la couche poreuse) et donc de modifier l'état de tension (ou de relaxation) de la couche supérieure-épitaxiée de silicium ou de silicium-germanium. C'est en effet dans et sur cette couche supérieure que seront fabriqués les transistors, dont l'état de contrainte du canal veut être modifié. La formation de la couche supérieure du matériau à paramètre de maille modifiable, par exemple le silicium poreux, peut être effectuée avant ou après la formation de la couche de silicium ou de silicium-germanium destinée à être contrainte. L'état de contrainte de la couche de silicium poreux peut être modifié par un traitement thermique, par exemple, entre 200 et 700 C. L'état de contrainte du silicium poreux peut aussi être modifié par greffage moléculaire en utilisant des groupes comme par exemples des groupements méthyle. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels: les figures la à 1f illustrent schématiquement les principales étapes d'un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, les figures 2a à 2f illustrent schématiquement les principales étapes d'un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention Sur la figure la, la référence SB désigne un substrat semiconducteur, par exemple en silicium, ou en silicium-germanium et pouvant contenir du carbone C si nécessaire. On procède en premier lieu à la formation d'une couche 1 de silicium poreux sur le substrat (Figure lb). Le silicium poreux est un matériau monocristallin, présentant une surface développée très élevée pouvant atteindre 1000 m2 par cm3 de matériau, et est obtenu de façon connue en soi par voie électrochimique en milieu acide fluorhydrique, par exemple. Après formation de la couche 1, toute la surface du silicium poreux est saturée par de l'hydrogène (liaison Si-H) et cette présence d'hydrogène rend contrainte la couche de silicium poreux. La quantité d'hydrogène peut être modifiée de plusieurs façons afin de faire passer la couche d'un état de compression à un état de tension. Ainsi, l'état de contrainte de la couche 1 de silicium poreux peut être modifié en traitant cette dernière avec de l'acide fluorhydrique. On peut aussi modifier l'état de la contrainte, la surface développée du matériau en jouant sur la porosité du matériau et/ou le type de substrat (p, p+, n or n+). Pour un type de substrat donné, la quantité d'hydrogène peut être modifiée par traitement thermique dans une gamme de température comprise entre 200 et 700 C. La température est limitée aux environs de 700 C afin d'éviter la transformation du silicium poreux par coalescence des pores. Pendant ce traitement thermique, il y a désorption de l'hydrogène et donc modification de la contrainte. Par exemple, après formation, le silicium poreux présente un paramètre de maille plus important que celui du silicium massif. Dès 200 C, il y a désorption de l'hydrogène et le paramètre de maille diminue jusqu'à atteindre celui du silicium massif autour de 400 C et continue de diminuer à température plus élevée. Cette variation de l'état de contrainte est réversible. En effet, après traitement thermique, il suffit de remettre le silicium poreux en contact avec de l'acide fluorhydrique pour qu'il revienne à son état initial, avant tout traitement thermique. Il apparaît donc que par simple traitement thermique du silicium poreux, la contrainte désirée de la couche de silicium peut être obtenue en ajustant les valeurs de paramètre de maille. L'étape suivante du procédé (figure 1c) comporte la croissance, par une opération d'épitaxie connue en soi, d'une couche 2 de silicium ou d'un alliage de silicium et de germanium. Afin d'accéder à la couche 1 de silicium poreux pour en modifier le paramètre de maille par divers traitements possibles, des ouvertures 20 sont gravées dans la couche 2 (Figure ld), par exemple par gravure chimique. Puis on trempe la plaquette dans une solution d'acide fluorhydrique (Figure le). Ce traitement a pour but de restaurer la couverture en hydrogène perdue pendant la phase d'épitaxie. Après ce traitement à l'acide fluorhydrique, le film de silicium 2 se trouve alors sous forte contrainte de tension. On peut alors, si nécessaire, prévoir un traitement thermique du type de ceux mentionnés avant, pour modifier le paramètre de maille du silicium poreux de façon à réduire ou annuler, voire inverser (compression) la contrainte de la couche de silicium 2. Pour modifier l'état de contrainte du silicium poreux, l'hydrogène à la surface du silicium peut aussi être remplacé par une autre espèce, par exemple des groupements méthyle, en utilisant des méthodes de greffage moléculaire. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, illustré sur figures 2a à 2f, l'ordre des étapes peut être modifié. Une couche de silicium 3 est formée sur un substrat de base SB, puis dopée (Figure 2b). La concentration de dopant est par exemple supérieure à 1017/cm3. Une couche 4 de silicium ou d'un alliage de silicium-germanium est formée par une opération d'épitaxie connue en soi (Figure 2c). Cette dernière couche 4 est gravée sélectivement et localement (Figure 2d) afin d'accéder à la couche 3 de silicium. Le silicium de la couche 3 est transformée en silicium poreux et la contrainte est alors générée pendant cette étape (Figure 2e). Puis un traitement thermique peut être appliqué (Figure 2f). Dans l'une ou l'autre des variantes décrites, la structure obtenue après traitement thermique peut être, si nécessaire, stabilisée par un traitement de stabilisation. Cette stabilisation peut être obtenue par différentes méthodes. L'une d'elles consiste en une étape d'oxydation à basse température ( 7 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une couche contrainte de silicium ou d'un alliage de silicium et de germanium, caractérisé par le fait qu'il comporte: a) la formation d'une couche (2,4) de silicium ou d'un alliage de silicium-germanium sur une couche (1,3) d'un matériau ayant un paramètre de maille modifiable, et b) la modification du paramètre de maille. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le matériau ayant un paramètre de maille modifiable est le silicium poreux. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape a) comporte la formation de la couche (1) du matériau à paramètre de maille modifiable avant la formation de ladite couche (2) de silicium ou d'un alliage de silicium-germanium. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte: a) la formation sur un substrat de base de ladite couche (1) d'un matériau ayant un paramètre de maille modifiable, b) la formation par épitaxie de la couche (2) de silicium ou d'un alliage de siliciumgermanium sur la couche (1) du matériau ayant un paramètre de maille modifiable, 2857155 8 la gravure localisée de ladite couche (2) de silicium ou d'un alliage de silicium et de germanium afin d'accéder à la couche (1) du matériau ayant un paramètre de maille modifiable, et d) la modification du paramètre de maille. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape a) comporte la formation de la couche (4) de silicium ou d'alliage de silicium germanium avant la formation de la couche (3) du matériau à paramètre de maille modifiable. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte: a) la formation sur un substrat de base (SB) d'une couche initiale (3) de silicium, b) le dopage de la couche initiale (3) de silicium, c) la formation par épitaxie de la couche (4) de silicium ou d'un alliage de silicium et de germanium sur la couche initiale (3) de silicium dopée, d) la gravure de ladite couche (4) de silicium ou de silicium-20 germanium afin d'accéder à la couche initiale (3) de silicium dopée, et e) la transformation de la couche initiale (3) de silicium dopée en silicium poreux. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la modification du paramètre de maille dans l'étape b) comporte un trempage du matériau dans une solution d'acide fluorhydrique. 2857155 9 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la modification du paramètre de maille dans l'étape b) comporte un traitement thermique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la modification du paramètre de maille dans l'étape b) comporte le remplacement des atomes d'hydrogène dans la couche de matériau à paramètre de maille modifiable par une autre espèce, de préférence des groupements méthyle.