Brevet FR2890662A1 — publié le 20070316

PROCEDE D'EPITAXIE A FAIBLE BUDGET THERMIQUE ET SON UTILISATION La présente invention concerne les procédés d'épitaxie réalisés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour chemical vapour deposition en anglais), notamment dans la fabrication de circuits imprimés, sur un plaque en matériau à base de silicium (silicium pur ou alliage de silicium). Plus particulièrement, elle concerne les procédés dits à basse température ( De manière générale, il est admis que l'épitaxie par CVD est limitée aux domaines des hautes températures car, à températures modérées, la croissance de nouvelles espèces sur une plaque à base de silicium est limitée par la présence de silice (SiO2) à la surface de la plaque, résultant le plus souvent de présence de vapeur d'eau dans l'équipement (réacteur) CVD. Par ailleurs, d'autres espèces chimiques, hydrocarbures par exemple, sont susceptibles de venir contaminer la plaque et nécessitent donc un nettoyage. Plusieurs techniques sont connues pour nettoyer la surface d'une plaque, notamment pour l'élimination des oxydes, par exemple par traitement à l'acide fluorhydrique. Cependant, même avec de tels traitements, une contamination de la surface de la plaque est toujours possible. C'est pourquoi, de manière classique, on utilise toujours une étape de recuit, de préférence sous hydrogène, préalablement au dépôt proprement dit. Par recuit, on entend une étape selon laquelle la plaque est soumise pendant un certain temps, en amont du dépôt, à une température supérieure ou égale à celle du dépôt. Ce recuit est réalisé soit à haute température (> 1000 C) quand un oxyde chimique résultant d'une étape préalable de nettoyage, par exemple en chimie humide de type RCA (solution de peroxyde d'hydrogène et d'ammoniac), est présent sur la surface de silicium; soit à une température plus modérée (850-950 C) quand la surface de silicium a été parfaitement désoxydée, par exemple par un traitement à l'acide fluorhydrique de type HF-last , c'est à dire par application d'acide fluorhydrique en dernière étape chimique, éventuellement suivie d'un rinçage et d'un séchage. En effet, le taux d'attaque chimique de la silice (SiO2) sous hydrogène décroît avec la température. Il est donc quasiment impossible d'éliminer totalement les oxydes issus d'un traitement RCA à des températures inférieures à 1000 C. Les procédés conventionnels d'épitaxie basse température pour des plaques où des structures sont éventuellement déjà présentes à la surface, et qui ne supportent pas de recuit à haute température, utilisent donc un traitement de type HF-last ex situ qui enlève les oxydes de la surface et passivent temporairement cette surface avec de l'hydrogène atomique. A cause de la difficulté liée aux traitements à l'acide fluorhydrique, on utilise généralement ensuite un rinçage à l'eau dé- ionisée. Les espèces oxydantes qui peuvent être présentes à la surface de la plaque sont alors enlevées par un recuit sous hydrogène à température modérée (850 C-950 C). D'autres techniques réalisent ce nettoyage in situ, par exemple dans un équipement multichambre. Le problème général de ces hautes températures est qu'elles nécessitent des équipements adaptés, tant au niveau des réacteurs d'épitaxie qu'au niveau des plaques subissant l'épitaxie; et que le budget thermique associé, fonction de la quantité de chaleur et du temps, est particulièrement élevé, donc coûteux. Or, les hautes températures (>1000 C) sont utilisées pour 15 nettoyer la surface du silicium et permettent des taux de dépôt élevés avec une très bonne qualité d'épitaxie. Un budget thermique réduit ( En revanche, il est généralement admis que la qualité de l'épitaxie diminue avec la température. Cependant, plus un budget thermique est réduit, plus il permet d'utiliser les processus d'épitaxie plus tard dans la séquence de fabrication de circuits imprimés. En effet, dans un processus classique de fabrication de circuit imprimé, la température ne peut que diminuer afin de ne pas endommager les structures déjà existantes qui ne supporteraient pas les hautes températures, notamment de recuit. 2890662 4 Et l'évolution de la fabrication de dispositifs à semiconducteur, en particulier ceux à base de silicium, montre que la complexité de fabrication, les matériaux utilisés, et la finesse des motifs requièrent des procédés de fabrication à des températures toujours plus faibles. De plus, les technologies au silicium de pointe, qui sont proches des limites permises par les propriétés du silicium, doivent adopter des architectures complexes dans lesquelles les épitaxies à base de silicium (Si) ou de silicium-germanium (SiGe) sont de préférence utilisées. On a donc une difficulté de compatibilité entre les basses températures de plus en plus nécessaires et la qualité requise. En outre, les recuits avec un budget thermique important sont une limitation à l'introduction de procédés d'épitaxie dans les processus de fabrication de dispositifs à technologie avancée, par exemple de type CMOS. Typiquement, lorsque des structures sont déjà présentes à la surface d'une plaque de silicium, ces recuits ne sont possible, notamment parce qu'ils ne sont pas compatibles avec les gradients de dopage abrupts, les matériaux métastables ou les structures fragiles (par exemple de très faibles dimensions) qui peuvent être déjà présents sur la plaque de silicium en cours de fabrication. En effet, de tels recuits favorisent, par exemple, les phénomènes de diffusion de surface qui diminuent la qualité du circuit imprimé à cause de la formation de bourrelets de silicium, comme expliqué plus loin dans la description. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé d'épitaxie basse température visant à obtenir une épitaxie de qualité. A cette fin, la présente invention propose un procédé d'épitaxie basse température à la surface d'au moins une plaque en matériau à base de silicium pur ou d'alliage de silicium (Site, SiC, SiGeC...), dans un équipement de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), notamment à thermique rapide (RTCVD). De manière classique, le procédé comprend au moins les étapes consistant à : - charger la plaque dans l'équipement, à une température de chargement, - préparer la surface en vue d'un dépôt de nouvelles espèces chimiques, et effectuer, postérieurement à la préparation de la surface, le dépôt dans des conditions d'épitaxie basse température ( L'étape de préparation de la surface consiste, par exemple, à rendre la surface moins sujette (sensible) aux contaminations chimiques ou au fluage par diffusion de surface. Grâce à l'étape de passivation, la surface de la plaque est passivée, en permanence, par exemple par des atomes d'hydrogène et/ou de chlore, rendant la plaque moins sensible aux impuretés, en particulier à la vapeur d'eau, qui réagirait avec la surface de la plaque pour donner de la silice (SiO2) et diminuerait ainsi la qualité de l'épitaxie. Ainsi, de façon surprenante et contrairement aux connaissances généralement admises, la qualité de l'épitaxie ne se dégrade pas de façon monotone et rapide quand la température du recuit est diminuée. Et grâce au procédé selon l'invention, le recuit à une température supérieure ou égale à la température de dépôt n'est pas nécessaire pour obtenir une épitaxie de qualité. En l'espèce, le procédé selon l'invention permet même de supprimer cette étape de recuit, ce qui permet avantageusement de gagner sur le budget thermique. Aussi de préférence, l'étape de passivation de la surface est réalisée par injection de gaz -ou de mélange de gaz- actif, dans laquelle ledit gaz -ou mélange de gaz- actif est choisi dans l'ensemble comprenant un gaz à base d'hydrogène et/ou de chlore, par exemple HC1, et par exemple les hydrures ou chlorures de Silicium, Germanium ou Carbone, notamment silane ou dichlorosilane (DCS). L'injection du gaz -ou du mélange de gaz- actif peut se faire à basse température, typiquement inférieure à la température de dépôt, et de préférence dans la fourchette de 400 C à 500 C, ce qui a pour avantage de limiter le budget thermique. De même, afin de limiter le budget thermique, le chargement de la plaque se fait avantageusement à basse température, typiquement inférieure à la température de dépôt, et de préférence dans la fourchette de 400 C à 5000C. L'injection du gaz -ou du mélange de gaz- actif, et le chargement de la plaque se faisant de préférence à même température, l'étape d'injection du gaz -ou du mélange de gaz-actif est réalisée, au plus tard, après le chargement de la plaque et, de préférence, en même temps. Enfin, pour préparer le dépôt à la température de dépôt, la température dans l'équipement de dépôt chimique est augmentée de la température de chargement de la plaque jusqu'à la température de dépôt, de préférence sans excéder celle-ci. Pendant cette augmentation de température, le procédé de l'invention peut comprendre, en outre, une étape de désorption, comme décrit plus loin. Dans un mode de réalisation, le gaz -ou le mélange de gaz- actif introduit pour l'étape de passivation de la surface est le même que le gaz -ou le mélange de gaz- utilisé pour le dépôt. Dans un autre mode de réalisation, le gaz -ou le mélange de gaz-actif introduit pour l'étape de passivation de la surface est avantageusement différent du gaz -ou du mélange de gaz- utilisé pour le dépôt. Par exemple, on peut utiliser du DCS comme gaz actif de passivation, et du silane comme gaz de dépôt, ou réciproquement. De même, on peut utiliser, par exemple, un précurseur de silicium comme gaz actif de passivation, et un mélange (précurseur de silicium, précurseur de germanium) comme gaz de dépôt, ou réciproquement. Le gaz -ou le mélange de gaz- actif introduit pour l'étape de passivation de la surface, outre l'activité de passivation elle-même, a toutefois également une activité de dépôt, ou de gravure, selon le type de gaz utilisé, dont la cinétique dépend principalement du (des) gaz utilisé(s). Dans un mode de réalisation, le procédé selon l'invention utilise ce paramètre de cinétique pour réguler la qualité de 1'épitaxie. Par exemple, le gaz -ou mélange de gaz- actif utilisé pour la passivation a une cinétique de dépôt beaucoup plus lente que la cinétique de dépôt du gaz -ou mélange de gaz-utilisé pour le dépôt. Dans un autre mode de réalisation, l'étape de passivation est réalisée par injection de mélange de gaz actif, dans laquelle, de préférence, le mélange est ajusté, par des moyens d'ajustement, par exemple des débitmètres, de sorte à obtenir une cinétique de dépôt quasi nulle, ledit mélange contenant au moins un gaz de gravure et un gaz de dépôt. Comme vu précédemment, l'étape de préparation de la surface peut comprendre au moins un pré nettoyage de la surface de la plaque, ex situ ou in situ, de sorte à éliminer les oxydes, par exemple par un traitement à l'acide fluorhydrique,notamment de type HF-last. Dans un autre mode de réalisation, le procédé peut toutefois comprendre une étape de recuit en température, en 30 amont du dépôt, à une température supérieure à celle de dépôt. Le procédé selon l'invention s'applique notamment aux technologies d'épitaxie pour des plaques de 300mm. L'invention concerne également l'utilisation du procédé 5 décrit précédemment pour réduire les phénomènes de fluage par diffusion de surface des structures de la plaque supportant 1'épitaxie. Dans ce cas, l'utilisation du procédé selon l'invention 10 permet la fabrication de couches ultraminces de silicium sur isolant, notamment de 15 à 50 Â d'épaisseur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la 15 description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles: - La figure la représente un schéma des cycles thermiques en épitaxie classique basse température avec recuit. La figure lb représente un schéma des cycles thermiques selon l'invention. - La figure 2a représente une vue en coupe schématique de la formation de sources/drains surélevés par épitaxie sélective classique présentant des phénomènes de diffusion de surface, juste avant le dépôt proprement dit. La figure 2b représente une vue en coupe schématique de la formation de sources/drains surélevés par épitaxie sélective selon l'invention, juste avant le dépôt proprement dit. La figure 3a représente une vue en coupe schématique de flancs de gravure après un procédé d'épitaxie par dépôt de matériau SiGe basse température standard. La figure 3a représente une vue en coupe schématique de 5 flancs de gravure après un procédé d'épitaxie par dépôt de matériau SiGe selon l'invention. Comme le montre la figure la, selon un temps t arbitraire, un procédé classique d'épitaxie basse température comprend un cycle thermique au cours duquel la plaque est d'abord chargée (10) dans un équipement CVD. Suite à ce chargement, on effectue un recuit (60) à haute température, généralement sous hydrogène, typiquement pour éliminer les oxydes. Après stabilisation en température (50), on injecte le gaz -ou le mélange de gaz- (20) actif, pour le dépôt (30) de nouvelles espèces, pour au final décharger (40) la plaque de l'équipement. Selon l'invention, figure lb, selon un temps t arbitraire, le procédé d'épitaxie basse température à la surface d'au moins une plaque en matériau à base de silicium pur ou d'alliage de silicium (SiGe, SiC, SiGeC...), dans un équipement de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), notamment à thermique rapide (RTCVD), comprend au moins une étape consistant à charger (10) la plaque dans l'équipement, à une température de chargement. Le chargement de la plaque se fait à basse température, typiquement à une température inférieure à la température de dépôt, et de préférence dans la fourchette de 400 C à 500 C afin de diminuer le budget thermique. Selon l'invention, on injecte le gaz -ou le mélange de gaz- (20) actif de sorte à passiver la surface de la plaque, en vue du dépôt ultérieur, ce qui permet de préparer la surface en vue d'un dépôt de nouvelles espèces chimiques. Cette injection du gaz -ou du mélange de gaz- actif se fait de préférence à basse température, typiquement inférieure à la température de dépôt, de préférence dans la fourchette de 400 C à 500 C. Dans le mode de réalisation préféré, l'injection (20) se fait à la température de chargement. La température dans l'équipement de dépôt chimique est alors augmentée de la température de chargement de la plaque jusqu'à la température de dépôt, à laquelle a lieu le dépôt (30) de nouvelles espèces chimiques. Dans le mode de réalisation préféré, la température dans l'équipement n'excède pas celle du dépôt. Dans un autre mode de réalisation, le procédé selon l'invention comprend, en outre, pendant cette montée en température, avant d'avoir atteint la température de dépôt, une étape de désorption, de sorte à éliminer la vapeur d'eau, les hydrocarbures... résiduels. Cette étape de désorption se fait par exemple soit par une montée en température relativement lente, soit par une pause en température de quelques instants, soit par une pression plus faible et une vitesse de pompage augmentée. Enfin, postérieurement à la préparation de la surface, le 30 dépôt (30) est effectué dans des conditions d'épitaxie basse température ( Selon l'invention, la préparation de la surface comprend une étape de passivation en permanence de la surface, de sorte à rendre la surface de la plaque moins sensible aux impuretés, et/ou rendre les diffusions de surface plus lentes. L'étape de passivation de la surface est réalisée par injection de gaz ou de mélange de gaz- actif. Par actif, on entend que le gaz, ou le mélange de gaz, a un effet sur la surface de la plaque. En particulier, il se dissocie aisément sur la surface de silicium pour laisser une couche atomique adsorbée. Typiquement, le gaz -ou mélange de gaz- actif est choisi dans l'ensemble comprenant un gaz à base d'hydrogène et/ou de chlore, par exemple HCl, et les hydrures ou chlorures de Silicium, Germanium ou Carbone, notamment silane ou dichlorosilane (DCS). Ainsi, l'hydrogène et/ou le chlore atomique s'adsorbent à la surface de la plaque et la passivent, notamment contre 20 l'oxydation. Le gaz -ou le mélange de gaz- actif introduit pour l'étape de passivation de la surface peut être un gaz -ou un mélange de gaz-classique utilisé pour le dépôt. De préférence toutefois, on utilise du gaz -ou du mélange de gaz-actif différent de celui utilisé pour le dépôt. Par exemple on peut choisir du DCS comme gaz actif, et du silane comme gaz de dépôt, ou réciproquement. A titre d'alternative, on peut utiliser un précurseur de silicium comme gaz actif, et un mélange (précurseur de silicium, précurseur de germanium) comme gaz de dépôt, ou réciproquement. Ainsi, dans un mode de réalisation, on utilise un gaz -ou 5 mélange de gaz- actif pour la passivation dont la cinétique de dépôt est beaucoup plus lente que la cinétique de dépôt du gaz -ou mélange de gaz- utilisé pour le dépôt. De cette manière, on peut jouer sur les cinétiques respectives de sorte à ce que les atomes de silicium déposés pendant la passivation ne diminuent pas la qualité du dépôt ultérieur. Dans certains cas, il est même souhaitable de minimiser le dépôt durant l'étape de passivation. A cet effet, l'étape de passivation est réalisée, par exemple, par injection de mélange de gaz actif, dans lequel, de préférence, le mélange est ajusté, par des moyens d'ajustement, de sorte à obtenir une cinétique de dépôt quasi nulle, ledit mélange contenant au moins un gaz de gravure et un gaz de dépôt. On peut prendre, par exemple, du HC1 comme gaz de gravure, la gravure consistant à retirer des atomes de silicium de la plaque. Selon l'invention, la plaque est passivée en permanence. Il convient donc que l'étape d'injection du gaz -ou du mélange de gazactif soit réalisée au plus tard après le chargement de la plaque. Dans un mode de réalisation, l'étape de préparation de la 30 surface comprend au moins un pré nettoyage de la surface de la plaque, ex situ ou in situ, de sorte à éliminer les oxydes, par exemple par un traitement à l'acide fluorhydrique. A ce titre, on peut utiliser un procédé de nettoyage de type last . L'invention porte également sur l'utilisation du procédé tel que décrit précédemment selon l'un quelconque des modes de réalisation. Dans température, diffusion de Sous l'effet (composant ou autre) à la surface d'une plaque ne conserve pas sa forme idéale, représentée en pointillés, mais tend à former des bourrelets. Cette formation de bourrelets de silicium (Si) à la périphérie d'une structure (G) diminue la qualité de la structure / du composant / du circuit imprimé final. Elle peut même conduire à la destruction des structures les plus fines. Selon l'invention, l'utilisation du procédé permet de réduire les phénomènes de fluage par diffusion de surface des structures de la plaque supportant l'épitaxie, figure 2b. De même, on peut utiliser le procédé selon l'invention pour la réalisation d'épitaxie sur silicium avec gravure 25 anisotrope. Dans un procédé d'épitaxie basse température classique, figure 3a, le profil de gravure est largement modifié. Or la géométrie des flancs intervient au premier ordre au niveau de la contrainte transmise au canal (G). HF- 15 des procédés classiques d'épitaxie basse recuit génère des phénomènes de fluage par surface, tels que représentés sur la figure 2a. de la chaleur, la morphologie d'une structure le Selon l'invention, figure 3b, le profil de gravure est conservé. La structure, par exemple un transistor MOS, est donc plus performante. Grâce au procédé selon l'invention, on peut utiliser l'épitaxie basse température pour la fabrication de couches ultraminces de silicium sur isolant, notamment de 15 à 50 A d'épaisseur. REVENDICATIONS 1. Procédé d'épitaxie basse température à la surface d'au moins une plaque en matériau à base de silicium pur ou d'alliage de silicium (SiGe, SiC, SiGeC...), dans un équipement de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) , notamment à thermique rapide (RTCVD), le procédé comprenant au moins les étapes consistant à : - charger la plaque dans l'équipement, à une température de chargement, préparer la surface en vue d'un dépôt de nouvelles espèces chimiques, effectuer, postérieurement à la préparation de la surface, le dépôt dans des conditions d'épitaxie basse température ( 2. Procédé d'épitaxie selon la revendication 1, dans lequel l'étape de passivation de la surface est réalisée par injection de gaz -ou de mélange de gaz- actif, dans laquelle ledit gaz -ou mélange de gaz-actif est choisi dans l'ensemble comprenant un gaz à base d'hydrogène et/ou de chlore, par exemple HC1, et les hydrures ou chlorures de Silicium, Germanium ou Carbone, notamment silane ou DCS. 3. Procédé d'épitaxie selon la revendication 2, dans lequel l'injection du gaz -ou du mélange de gaz- actif se fait à basse température, typiquement inférieure à la température de dépôt, et de préférence dans la fourchette de 400 C à 500 C. 4. Procédé d'épitaxie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le chargement de la plaque se fait à basse température, typiquement inférieure à la température de dépôt, et de préférence dans la fourchette de 400 C à 500 C. 5. Procédé d'épitaxie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température dans l'équipement de dépôt chimique est augmentée de la température de chargement de la plaque jusqu'à la température de dépôt, sans excéder celle-ci. 6. Procédé d'épitaxie selon la revendication 5 comprenant, en outre, une étape de désorption, pendant l'augmentation de température. 7. Procédé d'épitaxie selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le gaz -ou le mélange de gaz- actif introduit pour l'étape de passivation de la surface est différent du gaz -ou du mélange de gaz- utilisé pour le dépôt, par exemple DCS comme gaz actif, et silane comme gaz de dépôt; et par exemple précurseur de silicium comme gaz actif, et mélange (précurseur de silicium, précurseur de germanium) comme gaz de dépôt, ou réciproquement. 8. Procédé d'épitaxie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le gaz -ou mélange de 2890662 18 gaz- actif utilisé pour la passivation a une cinétique de dépôt beaucoup plus lente que la cinétique de dépôt du gaz -ou mélange de gaz- utilisé pour le dépôt. 9. Procédé d'épitaxie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de passivation est réalisée par injection de mélange de gaz actif, et dans lequel, le mélange est ajusté, par des moyens d'ajustement, de sorte à obtenir une cinétique de dépôt quasi nulle, ledit mélange contenant au moins un gaz de gravure et un gaz de dépôt. 10. Procédé d'épitaxie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'injection du gaz -ou du mélange de gazactif est réalisée au plus tard après le chargement de la plaque. 11. Procédé d'épitaxie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de préparation de la surface comprend au moins un pré nettoyage de la surface de la plaque, ex situ ou in situ, de sorte à éliminer les oxydes, par exemple par un traitement à l'acide fluorhydrique. 12. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour réduire les phénomènes de fluage par diffusion de surface des structures de la plaque supportant 1'épitaxie. 13. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes pour la fabrication de couches ultraminces de silicium sur isolant, notamment de 15 à 50 Â d'épaisseur.