Brevet FR2878072A1 — publié le 20060519

- 1 - L'objet de la présente invention concerne une structure multicouche comprenant un substrat, une couche hétéroépitaxiale de silicium et germanium (couche SiGe) déposée dessus, ayant un paramètre de maille qui diffère d'un paramètre de maille du substrat. Le silicium déposé sur une telle couche SiGe est tendu selon deux directions. Comme la mobilité des porteurs de charges est plus élevée dans le silicium tendu que dans le silicium non tendu, les éléments constitutifs électroniques, qui utilisent le silicium tendu pour l'augmentation de la vitesse de commutation, sont toujours plus intéressants. Pour le dépôt de silicium tendu, convient en particulier une couche de SiGe consistant en un mélange de silicium et germanium avec une part de germanium comprise entre 20 à 50% et elle est le plus possible détendue complètement (relaxée). Comme le paramètre de maille de la couche SiGe est plus grand que celui du silicium, le réseau de silicium, qui est déposé sur une telle couche, est étiré et il se forme une couche de silicium tendu. Usuellement, le silicium sert aussi de substrat sur lequel est déposée la couche de SiGe détendue. A cause des paramètres de maille différents, une couche croissante hétéroépitaxiale s'étire d'elle-même d'abord. A partir d'une épaisseur critique, la tension se relâche, si bien que se forment des dislocations. Des dislocations de désaccord (misfit dislocations) s'inclinent pour se propager dans un plan, suivant la direction de croissance de la couche grandissante. Il apparaît en outre aussi des dislocations vis (threading dislocations) comme prolongement des dislocations par désaccord. Celles-ci se rétrécissent dans la direction de croissance de la couche SiGe et atteignent sa surface. Cela se produit en grande quantité lorsque la couche SiGe déposée à la suite d'un simple recuit (anneal) est détendue. Les dislocations vis sont si longues qu'il convient de les - 2 éviter, parce qu'elles se prolongent usuellement dans des couches qui sont déposées sur la couche SiGe et perturbent la fonction des éléments électroniques, qui sont intégrés dans de telles couches. Des accumulations de dislocations vis (pile-ups, pour empilements) sont particulièrement nuisibles. Un autre paramètre important pour la qualité de la couche SiGe est la rugosité de la surface, qui doit être la plus faible possible. Des dislocations par désaccord produisent des défauts de contrainte et conduisent à des différences locales dans la vitesse de croissance lors de la croissance de la couche SiGe et finalement à une topographie de la surface, les bien connues hachures transversales (hachures), qui se propagent sur des surfaces déposées sur la couche SiGe. Une mesure pour ce cross-hatch est l'écart type de la rugosité de la surface, par exemple mesurée par AFM (microscope à force atomique). On a développé en particulier des stratégies pour réduire l'épaisseur des dislocations vis. Une possibilité consiste à augmenter la concentration en germanium dans la couche SiGe, par paliers ou de manière continue. Un autre ajout a pour but de déposer la couche SiGe sur une couche qui présente une haute concentration de défauts ponctuels. Des dislocations par désaccord se coudent ensuite, au lieu de se prolonger en des dislocations vis qui sont dirigées vers la surface de la couche SiGe, pour former des boucles de dislocations fermées qui, au travers de la zone avec la concentration élevée, conduisent à des défauts ponctuels. La densité des dislocations vis qui atteignent encore la surface du substrat, s'étend selon l'ordre de grandeur d'au moins 1.10' dislocations hélicoïdales par cm2 et avec cela est en vue d'être qualifiée pour la construction d'éléments de structure électronique mais cette valeur reste encore clairement trop élevée. Dans le document US2004/0067644 Al est décrit un procédé par lequel la densité de - 3 dislocations hélicoïdales diminue en dessous de 1.105 dislocations hélicoïdales par cm2. Cela consiste essentiellement à décaper en simultané la surface (etch anneal) de la couche SiGe pendant le recuit, ce qui conduit à détendre la couche SiGe. Ainsi, avantageusement, comme effet collatéral, la rugosité de la surface est aussi réduite. Le but de la présente invention est de fournir une structure multicouche dont la surface présente une rugosité faible et une densité faible en dislocations hélicoïdales et ses accumulations, et un procédé simple de fabrication de la dite structure. L'objet de l'invention est une structure multicouche, comprenant un substrat et, déposée dessus, une couche hétéroépitaxiale de silicium et de germanium (couche SiGe) de composition Sil_XGex et de paramètre de maille différent du paramètre de maille du silicium, caractérisée par une couche mince piège, déposée sur la couche SiGe, ayant une composition YGey et reliant des dislocations hélicoïdales, et par au moins une autre couche déposée sur la couche piège. Les photos constituant les figures respectives 1 et 2 montrent de telles dislocations limitées par la couche piège. La surface de la structure multicouche se caractérise par une densité particulièrement faible de dislocations hélicoïdales et ses accumulations, de même que par une rugosité faible. Une caractéristique distinctive particulière de la structure multicouche est une couche piège (interfacial layer, pour couche interface) en silicium et en germanium, qui relie des dislocations hélicoïdales à la surface frontière jusqu'à la couche SiGe reposant en dessous. Par ce moyen, nettement moins de dislocations hélicoïdales atteignent la surface de la couche piège et l'au moins une autre couche déposée dessus. L'objet de l'invention est aussi un procédé de construction d'une structure multicouche, comprenant la préparation d'une couche hétéroépitaxiale de silicium et de germanium (couche SiGe), de composition Sil_XGex, déposée sur un substrat, et de paramètre de maille différent de celui du silicium, et le dépôt d'une couche mince piège de composition Sil_yGey, sur la couche SiGe, qui relie des dislocations hélicoïdales, et le dépôt d'au moins une autre couche sur la couche piège. La couche SiGe peut être contrainte (strained) ou détendue (relaxed pour relaxée). La couche SiGe peut présenter une concentration constante Sil_XGex en silicium et germanium. De préférence, il s'agit toutefois d'une couche pour laquelle la concentration en germanium, suivant l'épaisseur de la couche, croît par paliers ou de manière continue (graded layer pour couche étagée) et pour laquelle la concentration Sil_XGex est atteinte d'abord sur la surface de la couche. L'indice a de préférence une valeur comprise entre 0,2 et 0,5. La couche SiGe se trouve de préférence sur une surface en silicium comme substrat, en particulier de préférence sur une tranche semi-conductrice de silicium ou une structure lamellaire SOI (silicon on insulator, pour silicium sur isolant) avec une couche de silicium sur une couche d'oxyde. Selon l'invention, une couche piège mince est déposée sur la couche SiGe et relie des dislocations à la surface frontière, de sorte que leur densité sur la surface de la structure, par rapport à la densité des dislocations vis sur la surface de la couche SiGe, est nettement réduite. La densité de dislocations vis (TDD) sur la surface de la structure multicouche s'élève au plus à 1,5.10+ 4 dislocations vis par cm2, de préférence moins de 5.10+3 dislocations hélicoïdales par cm2. L'épaisseur des accumulations de dislocations vis (PuD) s'élève de préférence au plus à 1 par cm par cm2. La rugosité de la surface de la structure multicouche s'élève de préférence au plus à 2 Â en - 5 écart-type (fenêtre de mesure 1 m x m). L'épaisseur de la couche piège atteint de préférence 2 à 30 nm. Si l'on passe en dessous de la limite inférieure de la zone d'épaisseur préférée ou au-dessus de la limite supérieure, il en résulte ainsi cet inconvénient sur la rugosité de la surface de la couche piège et donc aussi de la surface de la structure multicouche. La couche piège garde la composition constante Sil_yGey, l'indice y pouvant prendre de préférence la même valeur que l'indice x. Pour le dépôt de la couche piège, la couche SiGe est constituée d'un mélange gazeux qui contient de l'hydrogène, un composé halogène hydrogéné, un composé de silicium et un composé de germanium. Cela est produit de préférence dans un réacteur à épitaxie. Les concentrations des composés gazeux sont réglées de sorte que, sous les conditions de température et de pression choisies, un dépôt net de matière de composition Sil_yGey est produit. Le dépôt est de préférence réalisé à une température entre 900 et 1100 C et sous une pression atmosphérique ou une pression moindre. La vitesse de dépôt s'élève de préférence au plus à 50 nm/min. Les composés idoines en silicium sont SiH4 et le silane chloré, le silane chloré étant préféré. Des composés idoines en germanium sont le germane chloré et ses dérivés alkyles de même que GeH4. En particulier sont préférés le GeH4, GeCl4 et CH3GeC13. La proportion de composé de silicium par rapport au composé de germanium dans l'atmosphère gazeuse pour le dépôt de la couche piège est réglée de sorte que la couche piège croissante présente la composition désirée Sil_yGey. Le composé halogène hydrogéné préféré dans l'atmosphère gazeuse est HC1. La proportion de composé d'halogène hydrogéné, d'une part, et de composé de silicium et de composé de germanium, d'autre part, se trouve de préférence dans l'intervalle allant de 100:1 à 1:1. Du fait de la faible densité en dislocations - 6 - vis sur la surface et de la rugosité faible de la surface de la couche piège, il est en particulier préféré de déposer une couche de silicium contraint comme couche supplémentaire directement sur la surface de la couche piège. Toutefois, il est aussi possible de déposer avant une ou plusieurs autres couches. Par exemple, peut être déposée une couche hétéroépitaxiale relaxée, de composition globale d'ensemble constante Sil_ZGez comme couche tampon avant la couche de silicium contraint sur la couche piège, l'indice z pouvant prendre de préférence la même valeur que celle de l'indice y. Le degré de relaxation de la couche tampon est de préférence supérieur à 90%. La couche tampon présente une épaisseur de préférence comprise entre 1 et 2 pm. Exemple de comparaison: Le dépôt de substrat en silicium est effectué dans un réacteur à épitaxie pour tranche individuelle sous pression réduite. Les étapes suivantes sont mises en uvre Etape 1: chargement du réacteur Etape 2: traitement thermique de la galette de substrat sous hydrogène (H2 bake, pour cuisson 25 hydrogène) à une température de 1120 C Etape 3: dépôt d'une couche SiGe avec une partie de germanium (graded layer) (0-20%), à une température de 800-900 C Etape 4: dépôt d'une couche tampon en silicium et germanium avec une part constante en germanium de 20% (constant composition layer) et une épaisseur de 1 pm. Etape 5 dépôt d'une couche épaisse de 18 nm de silicium contraint à une température de 700 C Etape 6: déchargement, hors du réacteur, de la 35 structure multicouche formée. - 7 Exemple D'autres galettes de substrat de même type que dans l'exemple comparatif sont traitées dans le même réacteur que le réacteur comparatif avec une différence: Etapes 1 à 3: identiques à celles de l'exemple comparatif Etape 4: dépôt d'une couche piège en silicium et germanium, avec une part constante de 20% en germanium par envoi d'un mélange de chlore hydrogéné, de silane dichloré et de germanium, à une température de 1050 C Etapes 5 à 7: identiques aux étapes 4 à 7 de l'exemple comparatif. Analyse de la structure multicouche formée: L'identification de la couche piège est obtenue par la TME à section transversale (Transmission Electron Microscopy, X-TEM). La figure 1 représente clairement la couche piège (interfacial layer, pour couche interface) entre graded layer (pour couche étagée) (avec un système de réseau de dislocations) et couche à composition constante. L'épaisseur de la couche piège atteint 2 à 3 nm. La figure 2 représente comment des dislocations en provenance de la couche la plus profonde SiGe sont emprisonnées dans la couche piège. Les dislocations se propagent ensuite dans le demi-plan intérieur limité par la frontière entre la couche SiGe et la couche piège et ne croissent pas au-delà dans la couche tampon. Le dépôt de la couche piège conduit à une diminution de la densité en dislocations vis (TDD), en particulier la densité d'empilements (PuD) de telles dislocations et à la réduction de la rugosité en écart-type par un relâchement de la structure à hachures transversales. La morphologie de la surface peut être influencée par un changement des conditions du processus lors du dépôt de la couche piège dans des zones éloignées. - 8 Exemple comparatif Exemple Densité de disloca- 4 10+5 1,3 10+4 tions par cm-2 Densité d'empilements 18 1,0 par cm Ecart type 6,5 nm 1,6 nm m x 40 m Ecart type 0,42 nm 0,14 nm 1 m x 1 m Revendications 1. Structure multicouche, comprenant un substrat portant une couche hétéroépitaxiale de silicium et de germanium (couche SiGe) de composition Sil_XGex et à paramètre de maille différent du paramètre de maille du silicium, caractérisée par une couche piège mince, de composition globale Sil_YGe;,, déposée sur la couche de SiGe et reliant des dislocations vis, et par au moins une autre couche déposée sur la couche piège. 2. Structure multicouche selon la revendication 1, dans laquelle la concentration de germanium augmente selon l'épaisseur de la couche SiGe. 3. Structure multicouche selon l'une des 15 revendications 1 et 2, présentant une épaisseur de la couche entre 2 et 30 nm. 4. Structure multicouche selon l'une des revendications 1 à 3, présentant une densité au plus de 1,5 10+4 de dislocations vis par cm2 sur la surface. 5. Structure multicouche selon l'une des revendications 1 à 4, présentant une densité au plus de 1 empilement de dislocations vis par cm par cm2. 6. Structure multicouche selon l'une des revendications 1 à 5, présentant une rugosité de surface d'au plus de 2 À en écart-type (fenêtre de 1 gm x 1 m). 7. Structure multicouche selon l'une des revendications 1 à 6, comportant une couche tampon hétéro-épitaxiale relaxée de composition Sil_ZGez, qui est déposée sur la couche piège, et comportant une couche de silicium tendu, déposée sur une couche tampon hétéro-épitaxiale relaxée de composition Sil ZGeZ. 8. Structure multicouche selon l'une des 35 revendications 1 à 6, comportant une couche de silicium tendu, déposée sur la couche piège. 9. Procédé de fabrication d'une structure multicouche, caractérisé par les étapes consistant à : - 10 - préparer une couche de silicium et germanium (couche SiGe), déposée par hétéroépitaxie sur un substrat, de composition Sil_XGex et à paramètre de maille différent du paramètre de maille du silicium, déposer une couche piège mince de composition Sil_YGey sur la couche SiGe, reliant des dislocations vis, et déposer au moins une autre couche sur la couche piège. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel, lors du dépôt de la couche piège, la couche SiGe est exposée à un mélange gazeux contenant de l'hydrogène, un composé halogéné et hydrogéné, un composé de silicium et un composé de germanium. 11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel la couche intermédiaire est déposée à une vitesse de dépôt au plus égale à 50 nm/min jusqu'à atteindre une épaisseur comprise entre 2 et 30 nm. 12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, dans lequel la couche piège est déposée à une température comprise entre 900 et 1100 C. 13. Procédé selon l'une des revendication 9 à 12, dans lequel la couche piège est déposée sous pression atmosphérique ou une pression moindre. 14. Procédé selon la revendication 10, dans lequel du HC1 est utilisé comme composé hydrogéné 25 halogéné pour le dépôt de la couche piège. 15. Procédé selon la revendication 10, dans lequel du dichlorosilane est utilisé comme composé à silicium pour le dépôt de la couche piège. 16. Procédé selon la revendication 10, dans 30 lequel GeH4 est utilisé comme composé à germanium pour le dépôt de la couche piège. 17. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le mélange gazeux contient, d'une part, un hydrogéné halogéné et, d'autre part, le composé de 35 silicium et le composé de germanium dans un rapport volumétrique entre 100:1 et 1:1. 18. Procédé selon l'une des revendications 9 à 17, dans lequel la couche SiGe est préparée sous forme - 11 - de couche dans laquelle la concentration en germanium augmente selon l'épaisseur de la couche SiGe. 19. Procédé selon l'une des revendications 9 à 18, dans lequel une couche hétéro-épitaxique relaxée de composition Sil_ZGez est déposée sur la couche piège, et une couche de silicium contraint est déposée sur la couche hétéro-épitaxique relaxée de composition Si1_ZGez. 20. Procédé selon l'une des revendications 9 à 10 18, dans lequel une couche de silicium contraint est déposée sur la couche piège.