Brevet FR2888398A1 — publié le 20070112

COUCHE DE SILICIUM TRES SENSIBLE A L'OXYGENE ET PROCEDE D'OBTENTION DE CETTE COUCHE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une couche de silicium qui est très sensible à l'oxygène ainsi qu'un procédé d'obtention de cette couche. Elle s'applique notamment en microélectronique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur composé IV-IV très intéressant, qui convient en particulier aux dispositifs et capteurs de grande puissance, haute tension ou haute température. Récemment, de très importants progrès ont été accomplis dans la connaissance des surfaces de ce matériau et des interfaces de SiC avec les isolants et les métaux. Deux des questions importantes pour le succès des dispositifs électroniques à base de SiC (et en particulier de ceux qui sont fondés sur les polytypes hexagonaux de ce matériau) concernent l'obtention de transistors MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) performants, la passivation de surface et donc l'oxydation de SiC, et la structure Isolant sur SiC. Remarquons que le silicium est actuellement le matériau semi-conducteur le plus utilisé, principalement à cause des propriétés exceptionnelles du dioxyde de silicium (SiO2). De ce point de vue, SiC est spécialement intéressant puisque sa passivation de surface peut être réalisée par croissance de SiO2, dans des conditions similaires à celles du silicium. Cependant, du fait de la présence de carbone, l'oxydation classique (oxydation directe de SiC) des surfaces de SiC (en particulier des surfaces hexagonales de ce matériau) conduit en général à la formation d'oxydes de Si et de C, qui ont de médiocres propriétés électriques, et à des interfaces SiO2/SiC qui ne sont pas abruptes, la transition entre SiC et SiO2 se faisant sur plusieurs couches atomiques. La mobilité électronique dans les couches d'inversion de structure MOS sur p-SiC est bien plus faible (d'un facteur 10) que sur le silicium du fait du désordre à l'interface. On connaît un procédé d'obtention d'une passivation, en SiO2, sur du SiC par le document EP-A-0637069 (Cree Research, Inc.). L'obtention d'une couche de SiO2 de 62nm à partir d'une couche de Si, conformément à ce document, nécessite une oxydation thermique à haute température (environ 1200 C) et à une très forte pression d'oxygène (environ la pression atmosphérique c'est-à-dire environ 105Pa). Mais l'utilisation de hautes températures et de fortes pressions requiert beaucoup d'énergie. La réalisation de couches de passivation dans des conditions plus douces est donc un enjeu important pour l'industrie de l'électronique. Par ailleurs, la miniaturisation des dispositifs microélectroniques crée un besoin de couches de passivation de plus en plus minces, l'interface entre une couche de passivation et le substrat qui la porte devenant de plus en plus abrupte. On connaît aussi, par le document US 6 667 102 A, correspondant à WO 01/39257 A, une couche de silicium qui est sensible à l'oxygène à température ambiante. Cette couche est formée sur du carbure de silicium hexagonal et a une structure de surface 4x3. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. Elle a pour objet une couche de silicium qui favorise considérablement la croissance d'un oxyde sur un substrat et conduit à une interface Si02/substrat qui est abrupte, tout en permettant des conditions d'oxydation plus douces que celles qui sont permises par la technique connue, mentionnée plus haut. De plus, l'invention permet d'obtenir des couches de passivation plus minces que celles qui sont obtenues par cette technique connue. De façon précise, la présente invention a pour objet une couche de silicium formée, en particulier déposée, sur un substrat, cette couche étant caractérisée en ce qu'elle a une structure 3x2, le substrat étant apte à recevoir cette structure 3x2 du silicium ou propre à favoriser sa formation. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la couche a une structure de surface 3x2 (on dit aussi qu'elle est reconstruite 3x2), le substrat étant apte à recevoir cette structure de surface 3x2 du silicium ou propre à favoriser sa formation. De préférence, la couche est oxydable à une température inférieure ou égale à 650 C. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le substrat est du carbure de silicium RSiC. La présente invention concerne aussi une couche d'oxyde de silicium, cette couche résultant de l'oxydation de la couche de silicium objet de l'invention. La présente invention concerne également une surface recouverte de cette couche d'oxyde de silicium. La présente invention concerne en outre un procédé d'obtention de la couche de silicium objet de l'invention, dans lequel on dépose de façon sensiblement uniforme du silicium sur une surface du substrat. La présente invention a aussi pour objet un autre procédé, pour obtenir une couche d'oxyde de silicium sur un substrat, cet autre procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes. (a) la formation (en particulier le dépôt) de la couche de silicium objet de l'invention sur le substrat, et (b) l'oxydation de cette couche de silicium. De préférence, l'oxydation de la couche de silicium est effectuée à une température inférieure ou égale à 650 C, plus particulièrement à une température comprise dans l'intervalle allant de la température ambiante à 500 C. De façon avantageuse, cette température est la température ambiante (environ 20 C). L'interface SiO/Si ou SiO2/substrat, qui est obtenue après l'oxydation, est abrupte, la transition entre le substrat et SiO2 se faisant quasiment sur quelques couches atomiques. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de cet autre procédé, la couche de silicium formée (en particulier déposée) sur le substrat a une structure de surface 3x2 (on dit aussi qu'elle est reconstruite 3x2), le substrat étant apte à recevoir cette structure de surface 3x2 du silicium ou propre à favoriser la formation de cette structure. De préférence, le substrat est fait d'un matériau choisi parmi le carbure de silicium et le silicium. Le carbure de silicium peut être monocristallin, polycristallin, amorphe ou poreux. Avantageusement, la couche de silicium est formée sur une surface (3-SiC, préférentiellement sur la face (001). Avantageusement, dans la présente invention, lorsqu'on a besoin de chauffer le substrat, on peut utiliser l'effet Joule, de préférence en faisant passer un courant électrique continu à travers le substrat. De plus, les différentes étapes du procédé objet de l'invention sont préférentiellement effectuées dans une enceinte à ultravide, avantageusement la même enceinte durant tout le procédé. En variante, le chauffage du substrat peut se faire par bombardement électronique de ce substrat. De manière préférentielle, la surface du substrat est rincée avant la formation de la couche de silicium sur cette surface. De préférence, le rinçage est effectué avec un solvant organique, ce solvant comprenant avantageusement de l'éthanol ou du méthanol. Il est préférable que le substrat soit dégazé avant la formation de la couche de silicium. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le substrat est chauffé, de préférence à environ 650 C, en particulier pour du carbure de silicium, sous une pression réduite, avantageusement 3x10-9 Pa, pendant une durée suffisante, par exemple 24 heures, pour être dégazé. Avant la formation de la couche de silicium sur le substrat, un ou plusieurs recuits du substrat peuvent également être effectués, jusqu'à ce que l'on ne détecte plus aucun contaminant par LEED, c'est-à-dire par diffraction électronique à faible énergie (en anglais, low energy electron diffraction), ou par RHEED, c'est-à-dire par diffraction électronique à haute énergie et réflexion (en anglais, reflexion high energy electron diffraction). Avantageusement, on effectue au moins un recuit puis un refroidissement du substrat. De préférence, notamment dans le cas où le substrat est en carbure de silicium, chaque recuit est effectué de la manière suivante: - on chauffe le substrat à 1000 C pendant 3 minutes puis à 1100 C pendant 1 minute puis à 1200 C pendant 1 minute, puis - on refroidit lentement le substrat à une vitesse de 100 C par minute jusqu'à la température ambiante (environ 20 C) . Un tel procédé permet de déposer du silicium de façon sensiblement uniforme sur une surface du substrat. De préférence, la couche de silicium de l'étape (a) est formée à température ambiante. L'épaisseur de cette couche est de préférence inférieure ou égale à 10nm. De préférence, on effectue au moins un recuit de la couche de silicium après la formation de cette couche à l'étape (a). Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, on prépare, selon les modalités indiquées plus haut, une surface du substrat, maintenu à température ambiante, à recevoir la couche de silicium, puis on dépose de façon sensiblement uniforme le silicium sur la surface du substrat, on effectue au moins un recuit du substrat, sur lequel on a déposé le silicium, à au moins 1000 C, le temps total de recuit étant d'au moins 5 minutes, et l'on refroidit jusqu'à la température ambiante (environ 20 C) le substrat à une vitesse d'au moins 100 C/minute. Le substrat peut également être porté à une température supérieure à la température ambiante, par exemple à environ 650 C, pour effectuer le dépôt. Les étapes de dépôt et de recuit peuvent également être effectuées de manière simultanée, le dépôt se faisant dans ce cas à haute température. De préférence, notamment dans le cas où le substrat est fait d'un carbure de silicium monocristallin, la couche de silicium est formée sur ce substrat à température ambiante, puis l'ensemble constitué par le substrat et cette couche est ensuite soumis à au moins un recuit à au moins 650 C, le temps total de recuit étant d'au moins 7 minutes, le ou les recuits étant suivis d'un refroidissement à une vitesse d'au moins 50 C/minute. De préférence, en particulier dans le cas où le substrat est fait d'un carbure de silicium monocristallin, la préparation de la surface du substrat à recevoir le silicium monocristallin et/ou à promouvoir la formation de ce dernier comprend un chauffage auxiliaire du substrat à au moins 1000 C, un dépôt auxiliaire sensiblement uniforme de silicium monocristallin sur la surface du substrat ainsi chauffé et au moins un recuit auxiliaire du substrat après ce dépôt auxiliaire, à au moins 650 C, le temps total de recuit auxiliaire étant d'au moins 7 minutes. Avant le chauffage auxiliaire, la préparation de la surface du substrat comprend de préférence un dégazage du substrat sous ultra-vide puis au moins un recuit de ce substrat, suivi d'un refroidissement du substrat. Dans la présente invention, la couche de silicium est de préférence formée par évaporation sous vide. Il convient de noter que cette couche peut être formée d'autres façons, par exemple par chimisorption/interaction de silane ou par évaporation par bombardement électronique d'un échantillon de silicium. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le silicium est déposé sur le substrat à partir d'un échantillon de silicium dont la surface est plus grande que celle du substrat. De préférence, la surface de l'échantillon de silicium et la surface du substrat sont séparées par une distance de l'ordre de 2 à 3 cm. Selon l'invention, l'oxydation de la couche de silicium est réalisée à la suite du dépôt de la couche de silicium, avantageusement dans la même enceinte. De préférence, l'oxydation de la couche de silicium est faite avec une exposition à l'oxygène comprise dans l'intervalle allant de 8000 langmuirs (environ 0,8Pa.$) à 15000 langmuirs (environ 1,5Pa.$), cette exposition étant de préférence égale à 10000 langmuirs (environ 1Pa.$). Avec le procédé d'obtention d'une couche d'oxyde conformément à l'invention, il est possible de faire croître l'épaisseur de l'oxyde jusqu'à 10nm avec une interface restant abrupte. Pour obtenir un résultat identique, on peut avantageusement augmenter la quantité d'oxyde par des expositions plus importantes à l'oxygène et par des températures un peu plus élevées, proches 650 C. Dans la présente invention, des recuits peuvent être effectués après l'oxydation de la couche de silicium de structure 3x2. La présente invention est très utile pour la fabrication de dispositifs MOS et en particulier de dispositifs MOSFET (transistors à effet de champ de type MOS). Elle est également utile pour la passivation de tout composant, non seulement sur du carbure de silicium mais encore sur du silicium ou d'autres substrats, sur lesquels une telle structure 3x2 du silicium peut être déposée. Une couche de dioxyde de silicium (SiO2) obtenue par le procédé, objet principal de l'invention, subit moins de dommages sous l'impact de rayonnements ionisants incidents que les couches de SiO2 de l'art antérieur, parce qu'elle est réalisable à plus basse température que ces couches, elle est mince (elle est susceptible d'avoir une épaisseur aussi faible que 1nm et en tout cas inférieure ou égale à 8nm) et elle a une interface abrupte avec le substrat sous-jacent. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence à la figure unique annexée qui illustre schématiquement la fabrication d'une couche de silicium conformément à l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On indique tout d'abord qu'une couche de silicium ayant une structure 3x2 peut être obtenue selon les modalités décrites dans le document FR 2 823 770 A, correspondant à US 2004/0104406 A. On donne maintenant un exemple de préparation d'une couche de silicium conforme à l'invention. Dans cet exemple, on utilise un échantillon de carbure de silicium monocristallin cubique qui est commercialement disponible auprès des Sociétés NovaSiC et Hoya ainsi qu'auprès du LETI (un laboratoire du Commissariat à l'Energie Atomique). La face utilisée de cet échantillon est la 20 face (100). Cet échantillon peut consister en un film mince, d'épaisseur supérieure ou égale à 1 m, epitaxié sur une plaquette (en anglais, wafer) de silicium, ou peut être un échantillon massif, ayant une épaisseur d'environ 300}gym. De plus, cet échantillon a, par exemple, une longueur de 13 mm et une largeur de 5 mm. On commence par préparer, à partir de l'échantillon, une surface propre aSiC (100) reconstruite 3x2. On effectue d'abord un rinçage de l'échantillon à l'éthanol ou au méthanol. Ensuite, on introduit l'échantillon dans une enceinte à ultravide où l'on établit une pression de l'ordre de 3x10-9 Pa et où cet échantillon est chauffé par effet Joule direct grâce au passage d'un courant électrique à travers l'échantillon. La température de ce dernier est mesurée à l'aide d'un pyromètre à infrarouge. Tout d'abord, on dégaze l'échantillon en le laissant pendant 24 heures à 650 C sous ultravide. On fait ensuite subir une série de recuits à l'échantillon jusqu'à ce qu'aucun contaminant ne soit détecté, par exemple par photoémission, et que la surface de l'échantillon soit bien ordonnée, ce que l'on vérifie par LEED ou par RHEED: - on chauffe l'échantillon à 1000 C pendant 3 minutes puis à 1100 C pendant 1 minute puis à 1200 C pendant 1 minute; on refroidit ensuite lentement l'échantillon à une vitesse de 100 C par minute, jusqu'à la température ambiante (environ 20 C). Ensuite, pendant 10 minutes, à l'aide d'une évaporation sous vide effectuée au moyen d'un échantillon de silicium propre (ayant, par exemple, une longueur de 20 mm et une largeur de 10 mm) que l'on chauffe à 1150 C, on dépose uniformément du silicium sur la surface de l'échantillon de carbure de silicium maintenu à température ambiante. Pendant ce dépôt, l'échantillon de carbure de silicium et l'échantillon de silicium se font face et se trouvent à une distance D de 2 cm l'un de l'autre. La plus grande surface de l'échantillon de silicium permet l'homogénéité, c'est-à-dire l'uniformité, du dépôt de silicium sur l'échantillon de carbure de silicium. Enfin on reproduit, pour l'échantillon de SiC ainsi recouvert de silicium, la série de recuits décrite précédemment: cet échantillon est chauffé à 1000 C pendant 3 minutes puis à 1100 C pendant 1 minute puis à 1200 C pendant 1 minute. L'échantillon ainsi recouvert de Si subit alors une nouvelle série de recuits: 1 minute à 750 C puis 1 minute à 700 C puis 5 minutes à 650 C. On refroidit ensuite lentement l'échantillon jusqu'à la température ambiante, à une vitesse de 50 C par minute. La surface de R-SiC (100) ainsi obtenue a une structure 3x2 (maille carrée). Les zones reconstruites 3x2 ont des dimensions de l'ordre de 550 nm x 450 nm, peuvent avoir une faible densité de marches et possèdent quelques îlots de Si en formation 3x2. Les îlots reconstruits 3x2 sont alors sélectionnés pour l'étape suivante. Du silicium peut ensuite être ajouté et permet la croissance épitaxiale d'une couche de silicium reconstruite 3x2. On peut ainsi obtenir une couche de silicium dont l'épaisseur correspond à plusieurs couches atomiques (de 1nm à 10nm). L'organisation de cette couche de Si en une structure 3x2 est ainsi assurée par une série de recuits à 750 C, puis à 700 C puis à 650 C, comme on l'a décrit ci-dessus. La figure unique annexée illustre très schématiquement la fabrication de la couche 2 de silicium, ayant une structure 3x2, sur la surface propre du substrat 4 de R-SiC (100) reconstruit 3x2. On voit aussi l'enceinte 6 dans laquelle a lieu la préparation du substrat 4 et la formation de la couche 2. Les moyens de pompage permettant l'obtention de l'utravide sont symbolisés par la flèche 8. Le substrat 4 est monté sur un support approprié 10 et les moyens de chauffage du substrat par effet Joule sont symbolisés par les flèches 12. On voit aussi des moyens de chauffage par effet Joule de l'échantillon de silicium 14, ces moyens étant symbolisés par des flèches 16. On décrit maintenant l'oxydation de la couche de silicium de structure 3x2. Cette oxydation se déroule de la manière suivante: l'échantillon recouvert d'une couche de Si- 3x2 est exposé à de l'oxygène, tout en étant maintenu à une température comprise dans l'intervalle allant de 25 C à 650 C; l'exposition à l'oxygène est égale à 104 langmuirs (environ 1Pa.$). Dans ces conditions, on obtient une couche d'oxyde de silicium représentée en pointillés sur la figure (référence 18), cette couche d'oxyde de silicium ayant une épaisseur moyenne de 1nm. Des épaisseurs plus importantes, par exemple 10nm, peuvent être obtenues en augmentant la quantité d'oxygène apporté ainsi que la température. Ce dernier processus peut-être réalisé plusieurs fois de suite, l'interface entre le SiO2 et le substrat restant abrupte. Des échantillons d'épaisseurs variables, selon les besoins, peuvent donc être obtenus en faisant varier l'exposition à l'oxygène. L'oxydation de la couche de silicium 2 est faite, de préférence, dans l'enceinte 6. Dans ce cas, on munit cette enceinte des moyens nécessaires à cette oxydation, en particulier d'une entrée d'oxygène (non représentée) . REVENDICATIONS 1. Couche de silicium formée sur un substrat, cette couche (2) étant caractérisée en ce qu'elle a une structure 3x2, le substrat (4) étant apte à recevoir cette structure 3x2 du silicium ou propre à favoriser sa formation. 2. Couche selon la revendication 1, cette couche ayant une structure de surface 3x2, le substrat (4) étant apte à recevoir cette structure de surface 3x2 du silicium ou propre à favoriser sa formation. 3. Couche selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, cette couche étant oxydable à une température inférieure ou égale à 650 C. 4. Couche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le substrat (4) est du carbure de silicium R-SiC. 5. Couche d'oxyde de silicium, cette couche (18) résultant de l'oxydation de la couche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Surface recouverte de la couche d'oxyde de silicium selon la revendication 5. 7. Procédé d'obtention de la couche selon 30 l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on dépose de façon sensiblement uniforme du silicium sur une surface du substrat (4). 8. Procédé d'obtention d'une couche d'oxyde de silicium sur un substrat (4), ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes. (a) la formation d'une couche (2) de silicium selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 sur le substrat, et (b) l'oxydation de cette couche de silicium. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'oxydation de la couche de silicium est effectuée à une température inférieure ou égale à 650 C. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'oxydation de la couche de silicium est effectuée à la température ambiante. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 10, dans lequel le substrat (4) est fait de carbure de silicium ou de silicium. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel l'étape (a) est précédée par une étape de rinçage de la surface du substrat, sur laquelle on forme ensuite la couche de silicium (2). 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le rinçage est effectué à l'aide d'un solvant organique. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel le solvant organique comprend de l'éthanol ou du méthanol. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, dans lequel l'étape (a) est précédée par une étape de dégazage du substrat. 16. Procédé selon la revendication 15, dans 15 lequel le dégazage est effectué en chauffant le substrat sous une pression réduite. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 et 16, dans lequel le dégazage est effectué à environ 650 C, sous une pression de 3x10-9 Pa. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 17, dans lequel au moins un recuit du substrat est effectué avant la formation de la couche de silicium à l'étape (a). 19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel chaque recuit est effectué de la manière 30 suivante: - on chauffe le substrat à 1000 C pendant 3 minutes puis à 1100 C pendant 1 minute puis à 1200 C pendant 1 minute, puis - on refroidit le substrat à une vitesse de 100 C par minute jusqu'à la température ambiante. 20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 19, dans lequel la couche de silicium est formée par évaporation sous vide, par chimisorption/interaction de silane ou par évaporation par bombardement électronique d'un échantillon de silicium. 21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 20, dans lequel la couche de silicium (2) de l'étape (a) est formée à température ambiante. 22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 21, dans lequel l'épaisseur de la couche de silicium formée à l'étape (a) est inférieure ou égale à 10nm. 23. Procédé l'une quelconque des revendications 8 à 22, dans lequel au moins un recuit de la couche de silicium est effectué après la formation de cette couche à l'étape (a). 24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 23, dans lequel la couche de silicium (2) est formée sur le substrat à température ambiante, puis l'ensemble constitué par ce substrat et cette couche est soumis à au moins un recuit à au moins 650 C, le temps total de recuit étant au moins égal à 7 minutes, le ou les recuits étant suivis d'un refroidissement à une vitesse d'au moins 50 C/minute. 25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 24, dans lequel l'oxydation de la couche de silicium (2) est faite avec une exposition à l'oxygène comprise dans un intervalle allant d'environ 0,8Pa.s à environ 1,5Pa.s.