Brevet FR2894715A1 — publié le 20070615

PROCEDE DE F.BRICATION DE COMPOSANT SILICIUM ET/OU GERMANIUM SUR ISOLANT La présente invention concerne un procédé de fabrication de composant comportant un substrat de silicium monocristallin sur lequel on dépose une couche isolante à laquelle on superpose une couche de silicium et/ou germanium, notamment monocristallin. Les composants de type silicium sur isolant (SOI) sont utilisés dans la fabrication des circuits intégrés, notamment pour les processeurs ultra rapides. Ces composants ont l'avantage de présenter un faible courant de fuite, dû notamment au caractère monocristallin du substrat et éventuellement de la couche de silicium. Parmi les nombreuses techniques proposées pour la 15 fabrication de plaques de silicium sur isolant, on peut citer la technologie SmartCut et la technologie SiMox . La technologie SmartCut est basée sur le collage de deux demi plaques comportant chacune une couche de silicium 20 monocristallin, et une couche d'oxyde de silicium. Le principe est le suivant : pour créer une demi plaque, on diffuse de l'oxygène dans un substrat de silicium monocristallin, de manière à créer la couche d'oxyde de silicium. Après avoir réalisé deux demi plaques, on réunit les deux diélectriques parfaits par collage électrostatique. L'inconvénient de cette technologie est que le silicium monocristallin utilisé a une épaisseur relativement importante, qu'il est nécessaire de réduire pour pouvoir intégrer le composant dans un circuit. A cet effet, on utilise un faisceau d'ions à hydrogène qui sont projetés sur le substrat pour le fragiliser, ce qui permet de le découper à l'épaisseur souhaitée. Ce procédé de découpe est relativement complexe, et, en outre, il est très coûteux. De plus, la technologie SmartCut est limitée à la fabrication de composants à couche isolante en oxyde de silicium. La technologie SiMox, quant à elle, consiste à implanter des ions oxygène 0+ au coeur d'un substrat de silicium monocristallin, de manière à créer directement un empilement Silicium/Oxyde de silicium/Silicium. Les ions oxygène traversent donc la couche supérieure de substrat pour atteindre la couche isolante. L'inconvénient majeur de cette technologie est que le passage des ions oxygène introduit des défauts dans la couche d'oxyde et dans la couche supérieure de silicium. Il est donc nécessaire d'effectuer plusieurs recuits pour diminuer ces défauts, défauts qui sont impossibles à éliminer en totalité. L'invention vise à remédier à au moins l'un de ces inconvénients, en proposant un procédé permettant de fabriquer des empilements quasiment parfaits dans une seule enceinte. L'invention concerne ainsi un procédé de fabrication de composant comprenant un substrat en silicium monocristallin sur lequel est déposée une couche isolante à laquelle est superposée une couche de silicium et/ou germanium, le procédé comprenant les étapes suivantes : - au cours d'une première étape on pulvérise, sur une plaque de silicium monocristallin, un métal ou un semiconducteur ou un isolant dans un plasma d'oxygène, de manière à créer une couche d'oxyde sur la plaque pour former la couche isolante, puis - au cours d'une seconde étape on pulvérise par plasma du silicium et/ou du germanium sur cette couche d'oxyde. Le procédé est, par exemple, réalisé dans une enceinte 15 à vide, dans laquelle se trouvent le substrat de silicium monocristallin sur lequel vont s'effectuer les dépôts, et des cibles des métaux, semiconducteurs ou isolants destinés à être pulvérisés. Selon que l'on pulvérise, au cours de la seconde 20 étape, uniquement du silicium, ou uniquement du germanium, ou les deux produits simultanément, le composant créé sera respectivement de type SOI, GeOI ou SiGeOI. Les gaz introduits dans l'enceinte afin de créer le plasma varient selon l'étape de pulvérisation effectuée. 25 Ainsi, dans une réalisation, le plasma utilisé au cours de la première étape est un plasma d'argon et d'oxygène. Dans une autre réalisation, le plasma utilisé dans la seconde étape est un plasma d'argon. Dans ce cas, on pourra, par exemple, injecter 30 simultanément de l'oxygène et de l'argon lors de la première étape, puis stopper l'injection de l'oxygène au moment du passage à la seconde étape. Afin de diminuer au maximum les courants de fuite lors 35 de l'utilisation de composants silicium et/ou germanium sur isolant, il est nécessaire de conserver le caractère monocristallin de la couche externe de silicium et/ou germanium. Ainsi, dans une réalisation, le dépôt de silicium et/ou germanium est effectué de telle sorte qu'on crée une couche de silicium et/ou germanium monocristallin. Pour obtenir une telle couche, il est nécessaire que la vitesse de dépôt des atomes de silicium et/ou germanium sur la couche d'oxyde soit inférieure à la vitesse d'homogénéisation de ces mêmes atomes entre eux. A cet effet, dans une réalisation, la source de production du plasma est contrôlée indépendamment de la polarisation des cibles servant aux différentes pulvérisations. Ainsi, il y a un découplage entre la création des ions servant à la pulvérisation et la polarisation des cibles, cette polarisation déterminant le rendement de pulvérisation. Ce découplage permet de faire varier la vitesse d'homogénéisation en envoyant sur la couche d'oxyde des ions polarisés d'une façon telle qu'ils perdent leur énergie cinétique à l'impact sur cette couche, permettant ainsi d'augmenter la mobilité des atomes déposés. Dans une réalisation, le plasma utilisé est un plasma inductif, c'est-à-dire créé par une antenne externe, par exemple émettant dans une gamme de fréquences allant de 0.1 à 100 MHz, au travers d'un diélectrique. On peut ainsi créer un plasma de type ICP (plasma à couplage inductif), ou de type TCP (plasma à couplage transformateur). De cette façon, la géométrie de l'antenne peut être choisie parmi plusieurs configurations, de manière à sélectionner celle assurant la plus grande homogénéité du plasma. Par ailleurs, le fait d'utiliser une antenne externe permet de diminuer les risques de contamination métallique du plasma par des parasites issus de l'antenne et/ou du diélectrique. Ainsi il est également utile, dans une réalisation, d'utiliser un diélectrique en un matériau non métallique tel que du verre. Dans une réalisation, les cibles utilisées pour les pulvérisations sont polarisées en utilisant une polarisation de type courant continu (DC) ou bien continu (DC) pulsé. Dans ce dernier cas, il est nécessaire que chaque impulsion de tension comporte une excursion de tension positive, afin de maintenir la pulvérisation sur les matériaux semiconducteurs et isolants. La première étape du procédé décrit ci-dessus consiste à déposer une couche d'oxyde sur un substrat de silicium monocristallin. Généralement, le substrat utilisé consiste en une plaque de silicium disponible dans le commerce, et qui est donc protégée par un oxyde. Il alors nécessaire, dans une réalisation, d'ajouter au procédé une étape préliminaire qui consiste à enlever l'oxyde natif présent sur la plaque de silicium monocristallin. Pour ce faire, on utilise, par exemple, une méthode connue de nettoyage chimique, telle que le nettoyage RCA, développé par la Radio Corporation of America . Il est utile, une fois le composant finalisé, c'est- à-dire une fois tous les dépôts effectués, de déposer une couche protectrice sur la surface externe du composant. Ainsi, dans une réalisation, le procédé comprend une étape finale consistant à déposer, sur la couche de silicium et/ou germanium monocristallin, une couche de passivation destinée à protéger le composant de la corrosion. Cette couche, également appelée couche de barrière, permet d'éviter le passage d'impuretés pouvant altérer les qualités du composant silicium et/ou germanium sur isolant. On connaît divers procédés pour déposer une telle 35 couche de passivation. Dans une réalisation, le dépôt est effectué en pulvérisant du silicium et/ou du germanium dans un plasma d'hydrogène. Cette possibilité présente l'avantage de ne pas nécessiter d'équipement particulier, puisqu'elle fait appel à un procédé voisin de celui employé pour le dépôt des couches d'oxyde et de silicium et/ou germanium. Une autre solution consiste à introduire l'hydrogène atomique directement sous forme de gaz, et non pas en phase plasma. Dans ce cas, l'hydrogène réagit directement avec le silicium et/ou le germanium pour former des liaisons hydrures passivantes. Afin que le processus de fabrication soit le plus simple et le plus économique possible, il est utile que le métal pulvérisé au cours de la première étape soit, dans une réalisation, du silicium. Ainsi, il suffit de disposer d'une seule cible de pulvérisation pour réaliser les différents dépôts. Dans ce cas, l'oxyde créé pour former la couche isolante est un oxyde de silicium. Le composant créé dans cette configuration comprend un empilement silicium / oxyde de silicium / silicium et/ou germanium, qui est l'empilement le plus couramment utilisé, actuellement, dans l'industrie des circuits intégrés. En revanche, l'oxyde de silicium ayant une très faible permittivité, avec une constante diélectrique k égale à 3.9, il est nécessaire, pour que le composant créé ait une capacité électrique acceptable, que la couche isolante soit très mince sans toutefois permettre le passage du courant. Mais, la réalisation de telles couches, par exemple d'une épaisseur inférieure à 50 nanomètres, est relativement complexe, puisqu'il faut veiller à ce qu'il n'y ait pas un recouvrement incomplet de la surface de silicium, qui entraînerait des courants de fuite trop importants. Il faut donc un processus de fabrication extrêmement précis et minutieux. Une solution pour remédier à cet inconvénient consiste, dans une réalisation, à créer au cours de la première étape un oxyde à forte permittivité, par exemple dont la constante diélectrique est comprise entre 15 et 30. Ces oxydes ayant une permittivité plus élevée, il est possible de réaliser des couches plus épaisses , tout en conservant une bonne capacité électrique; on obtient une fabrication plus aisée, ce qui conduit à des couches de meilleure qualité. Par ailleurs, l'oxyde de silicium présente, par rapport au silicium, un désaccord de maille relativement important, de l'ordre de 9,5%. Ce désaccord de maille a pour conséquence de rendre relativement difficile l'amorçage de l'épitaxie utilisée pour faire croître le silicium et/ou germanium cristallin sur le substrat. En outre, les interfaces silicium/oxyde présentent de nombreux défauts structuraux. Pour améliorer la cristallinité de ces interfaces, il est utile, dans une réalisation, de créer, au cours de la première étape, un oxyde tel que le désaccord de maille entre cet oxyde et le silicium et/ou germanium soit inférieur à 6%. Ainsi, selon la réalisation choisie, l'oxyde créé est 25 compris dans le groupe comprenant : l'aluminate de lanthane (LaAlO3), la zircone (oxyde de zirconium ZrO2) stabilisée avec de l'oxyde d'yttrium Y2O3r (YZS), et l'oxyde de cérium (CeO2) . La quantité d'oxyde d'yttrium présent dans la zircone 30 est généralement de l'ordre de quelques pourcents, par exemple 00 0o. Ces différents oxydes présentent les deux caractéristiques énoncées ci-dessus, puisqu'ils ont tous une forte permittivité, et que leurs désaccords de maille avec le 35 silicium valent, respectivement, 1.21%, 5.35% et 0.35%. Le procédé de fabrication décrit ci-dessus est tel qu'il permet la réalisation d'un composant silicium sur isolant et/ou germanium sur isolant et/ou silicium-germanium sur isolant de taille relativement importante. Par exemple, dans une réalisation, le composant créé a une forme de pastille et un diamètre supérieur ou égal à 200 millimètres. Ce composant sert de base pour la fabrication des circuits intégrés par dopage de la couche de silicium et/ou 10 germanium. L'invention concerne également un composant présentant les caractéristiques de celles d'un composant fabriqué par un procédé du type ci-dessus. 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, cette description étant effectuée à l'aide des figures sur lesquelles : - la figure 1 représente un composant réalisé en utilisant 20 un procédé conforme à l'invention, - la figure 2 présente un système permettant de réaliser un composant selon un procédé conforme à l'invention, et - la figure 3 présente un chronogramme des différentes étapes d'un procédé conforme à l'invention. 25 Sur la figure 1 on a représenté, en coupe, un composant obtenu par un procédé de fabrication conforme à l'invention, ce composant ayant la forme d'une pastille de 300 millimètres de diamètre. 30 Ce composant comporte un substrat 10 de silicium monocristallin, tel par exemple qu'une plaque de silicium disponible dans le commerce. Cette plaque est au préalable décapée de son oxyde natif. En outre, le composant comporte une couche isolante 12 constituée d'un oxyde déposé par plasma, tel 35 que l'oxyde de silicium (SiO2), l'aluminate de lanthane (LaA1O3), le zircone d'yttrium stabilisé (YZS), ou encore l'oxyde de cérium (CeO2). Cette couche 12 a une épaisseur de 300 nanomètres. La dernière couche 14 est une couche de silicium et/ou 5 de germanium monocristallin déposée par plasma, qui a une épaisseur de 100 nanomètres. Dans le cas où la dernière couche est une couche de silicium monocristallin, ce silicium peut être dopé. 10 La fabrication de ce composant est réalisée dans une enceinte à vide 30 telle que celle représentée sur la figure 2. Dans l'enceinte 30 se trouve un substrat de silicium monocristallin, sous forme d'une plaque de silicium 16. Cette plaque de silicium sert de base pour recevoir les dépôts 15 destinés à créer les différentes couches du composant. La plaque 16 est reliée à un moyen 18 de régulation de la température, afin que celle-ci ne dépasse pas les 500 C au cours de la fabrication. De manière plus précise, la température du substrat 20 est généralement maintenue entre 375 et 450 C. Dans un exemple, le procédé est tel que la température du substrat peut être abaissée en dessous de 300 C. Le dispositif de production de plasma comporte une 25 antenne radio fréquence planaire 20 et un diélectrique plan 22, réalisé en un matériau non métallique tel que le verre, afin d'éviter toute contamination métallique du plasma par les parois. Dans une autre réalisation, on peut utiliser une antenne hélicoïdale enroulée autour d'un tube diélectrique. 30 Dans l'exemple, le composant créé sera un empilement silicium/oxyde de silicium/silicium. A cet effet, l'enceinte 30 comporte uniquement une cible de silicium monocristallin 24. Si on souhaite réaliser d'autres empilements, il suffit 35 d'installer, dans l'enceinte, une ou plusieurs cibles du métal ou semiconducteur ou isolant correspondant à l'oxyde que l'on souhaite créer. Cette cible 24 est reliée à des moyens de polarisation 26, qui sont indépendants des moyens 20 et 22 de production du plasma. Dans un exemple, la cible est polarisée avec un générateur de courant continu pulsé, de type DC pulsé . Pour effectuer les dépôts par plasma des différentes couches, on introduit successivement des gaz (28) selon un 10 séquencement défini au préalable. Un exemple de séquencement est illustré sur la figure 3. Cette figure comporte 4 chronogrammes montrant respectivement les différentes étapes du procédé de fabrication (chronogramme 15 32), le séquencement de l'introduction de gaz Argon dans l'enceinte (chronogramme 34), le séquencement de l'introduction d'oxygène dans l'enceinte (chronogramme 36), et le séquencement de l'introduction d'hydrogène dans l'enceinte (chronogramme 38). La première étape représentée (32a) est l'étape de 20 dépôt d'une couche d'oxyde de silicium sur un substrat en silicium 16. A cet effet, de l'argon (34a) et de l'oxygène (36a) sont introduits dans l'enceinte 30, et transformés en plasma par les moyens 20 et 22. La réaction chimique ayant lieu entre les ions oxygène 25 et la vapeur de silicium, majoritairement issue de la pulvérisation de la cible 24 par les ions argons, a pour effet la création de l'oxyde de silicium SiO pendant le transport du silicium dans le plasma. Lorsque cet oxyde atteint le substrat 16, les atomes 30 se réarrangent de manière à former de l'oxyde de silicium SiO2. A l'instant t1, on a déposé une couche isolante de l'épaisseur souhaitée, et il faut donc passer à l'étape suivante (32b) dans le processus de fabrication. A cet effet, l'introduction d'oxygène dans l'enceinte 35 30 est stoppée, et il ne reste que de l'argon. Cet argon permet de pulvériser, par plasma, le silicium de la cible 24, afin de déposer une couche de silicium monocristallin sur la couche isolante précédemment déposée. L'instant t2 marque la fin de l'étape de dépôt du silicium pur. Le composant est alors terminé. Toutefois, il est utile de déposer, au cours d'une étape 32c, une couche supplémentaire, appelée couche de passivation. Cette couche, destinée à protéger le composant de la corrosion, est réalisée en introduisant de l'hydrogène atomique dans l'enceinte (38a) qui réagit avec les atomes de la surface externe de silicium et/ou germanium pour faire les liaisons passivantes silicum-hydrogène et/ou germanium-hydrogène. Une fois le procédé terminé, à l'instant t3, on stoppe l'introduction d'hydrogène dans l'enceinte. Le temps total de réalisation du procédé peut varier 20 entre lmin 30 et 15 min selon les vitesses de dépôt choisies. La vitesse de dépôt de silicium est, par exemple, comprise entre 250 nm/min pour un dépôt microcristallin, et 20 nm/min pour un dépôt cristallin. 10 15 25 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de composant comprenant un substrat en silicium monocristallin (10, 16) sur lequel est déposée une couche isolante (12) à laquelle est superposée une couche de silicium (14) et/ou germanium, le procédé comprenant les étapes suivantes : - au cours d'une première étape (32a) on pulvérise, sur une plaque de silicium monocristallin (10, 16), un métal (24) dans un plasma d'oxygène, de manière à créer une couche d'oxyde de ce métal sur la plaque (10, 16) pour former la couche isolante, puis -au cours d'une seconde étape (32b) on pulvérise par plasma du silicium (24) et/ou du germanium sur cette couche d'oxyde. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le plasma utilisé au cours de la première étape est un plasma d'argon et d'oxygène. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le plasma utilisé dans la seconde étape est un plasma d'argon. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dépôt de silicium et/ou de germanium est effectué de telle sorte qu'on crée une couche de silicium et/ou germanium monocristallin. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la source de production du plasma est contrôlée indépendamment de la polarisation des cibles servant aux différentes pulvérisations. 6. Procédé selon les revendications 4 et 5 dans lequel, au cours de la seconde étape, la vitesse de dépôt des atomes desilicium et/ou germanium sur la couche d'oxyde est inférieure à la vitesse d'homogénéisation de ces atomes entre eux. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le plasma utilisé est un plasma inductif, c'est-à-dire créé par une antenne externe (20) au travers d'un diélectrique (22). 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'antenne externe (20) émet dans une gamme de fréquences allant de 0.1 à 100 MHz. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8 dans lequel le diélectrique utilisé (22) est en un matériau non métallique tel que du verre, de manière à éviter toute contamination métallique du plasma. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les cibles utilisées pour les pulvérisations sont polarisées en utilisant une polarisation (26) de type courant continu (DC) ou courant continu pulsé. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant l'étape préliminaire d'enlever l'oxyde natif présent sur la plaque de silicium monocristallin. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant l'étape finale de déposer, sur la couche de silicium et/ou germanium monocristallin, une couche de passivation destinée à protéger le composant de la corrosion. 13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel la couche de passivation est réalisée en pulvérisant du silicium et/ou du germanium dans un plasma d'hydrogène. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'oxyde créé au cours de la première étape de pulvérisation est un oxyde à forte permittivité, par exemple dont la constante diélectrique k est comprise entre 15 et 30. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'oxyde créé au cours de la première étape de pulvérisation est tel que le désaccord de maille entre cet oxyde et le silicium et/ou germanium est inférieur à 6%. 16. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'oxyde créé est compris dans le groupe comprenant : l'aluminate de lanthane (LaA1O3), la zircone (oxyde de zirconium ZrO2) stabilisée de l'oxyde d' yttrium, Y2O3 (YZS), et l'oxyde de cérium (CeO2) . 17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15 dans lequel le métal pulvérisé est du silicium, et l'oxyde ainsi créé est de l'oxyde de silicium SiO2. 18. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le composant créé a une forme de pastille et un diamètre supérieur ou égal à 200 millimètres. 19. Composant présentant les caractéristiques de celles d'un composant fabriqué par un procédé conforme à l'une des revendications précédentes.