Brevet FR2948229A1 — publié le 20110121

PROCEDE D'ETALONNAGE D'UN FOUR DE RECUIT ET RECRISTALLISATION DE GERMANIUM UTILISANT UN TEL PROCEDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention concerne le domaine des dispositifs à matériau semi-conducteur, et notamment celui de la microélectronique et des microou/et nano-technologies. L'invention concerne en particulier un procédé d'étalonnage d'un four pour recuit de matériau semi-conducteur, ainsi qu'un procédé de cristallisation ou de recristallisation d'une couche de matériau semi-conducteur à l'aide d'un four étalonné à l'aide dudit procédé d'étalonnage. L'invention s'applique en particulier à la recristallisation du Germanium et apporte des améliorations en termes de précision de la durée nécessaire à cette recristallisation et/ou de précision de l'épaisseur recristallisée. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine de la microélectronique, lorsqu'on cherche à mettre en oeuvre un composant électronique à partir d'un substrat, ou d'une zone, à base de Germanium, il peut s'avérer nécessaire de doper cette zone ou ce substrat. Pour cela, un dopage par implantation ionique de Germanium cristallin peut être réalisé. 2 Une telle implantation a pour conséquence d'endommager la structure cristalline du matériau semi-conducteur et de former une couche de matériau amorphe. Une étape de recristallisation peut être alors effectuée pour redonner au matériau sa structure cristalline, tel que cela est indiqué dans le document � Implantation, diffusion et activation des dopants dans le Germanium �, thèse de Stéphane Koffel de Novembre 2008. La recristallisation peut être réalisée par recuit dans un four, selon une durée et une température adéquates, qui dépendent de l'épaisseur de matériau amorphe que l'on souhaite cristalliser. L'ajustement de cette durée doit être réalisé de manière précise dans la mesure où si la durée de recuit est trop courte, le matériau n'est pas recristallisé entièrement, tandis que si la durée de recuit est trop longue, le recuit peut entrainer une diffusion intempestive des dopants, c'est-à-dire une diffusion des dopants dans des zones non désirées. Pour déduire la durée de recuit et la température nécessaires pour effectuer un recuit sur une couche d'épaisseur donnée, il est possible d'utiliser des données de référence indiquant, pour une température donnée, la durée nécessaire pour effectuer cette recristallisation. Cependant, d'une publication à l'autre, ces données peuvent changer. Par ailleurs, d'un four à l'autre la durée nécessaire au recuit peut changer. Il peut donc s'avérer nécessaire d'étalonner préalablement le four de recuit en effectuant différentes mesures 3 d'épaisseurs de matériau semi-conducteur cristallisé pour différents couples : durée de recuit-température de recuit. Une telle méthode est longue et coûteuse à mettre en œuvre. Il se pose le problème de trouver un nouveau procédé de recristallisation d'une couche semi-conductrice, qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne tout d'abord un procédé d'étalonnage d'un four de recuit pour dispositif à semi-conducteur comprenant les étapes de : a) cristallisation par recuit dans ledit four d'une épaisseur donnée d'une couche de matériau semi- 15 conducteur donné amorphe, b) détermination de l'épaisseur cristallisée puis de la vitesse V1 de cristallisation effectuée à l'étape a), c) détermination en fonction de la vitesse de 20 cristallisation V1 déterminée à l'étape b), du paramètre V01 de la relation V1 = V01 * exp (-Ea/kT1) , Ea une constante d'énergie d'activation d'Arrhenius, k la constante de Boltzmann, T1 la température de recuit de cristallisation à l'étape a). 25 La couche de matériau semi-conducteur peut avoir été rendue amorphe, préalablement à l'étape a), par implantation de dopants dans ledit matériau semi-conducteur. Le matériau semi-conducteur peut être du 30 Germanium ou du silicium. 10 4 Le matériau semi-conducteur ayant été implanté préalablement à l'étape a) peut être du Germanium monocristallin orienté . Le paramètre Vol est un paramètre caractéristique du four de recuit utilisé. A l'aide de cet étalonnage, pour une épaisseur prédéterminée de matériau semi-conducteur donné à cristalliser ou à recristalliser, on utilise ensuite le paramètre V01 que l'on a déterminé pour évaluer la durée du recuit nécessaire pour effectuer une recristallisation de cette épaisseur prédéterminée. Cette évaluation tient ainsi compte de la spécificité du four de recuit utilisé, et permet d'obtenir une précision améliorée de l'épaisseur recristallisée. Un tel étalonnage ne nécessite pas d'effectuer de nombreuses mesures. Le recuit effectué à l'étape a) peut avoir une durée et une température déterminées à l'aide d'une loi d'Arrhenius de référence. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif à semi-conducteur comprenant au moins une étape de cristallisation ou de re-cristallisation, par recuit dans un four étalonné à l'aide d'un procédé d'étalonnage tel que défini précédemment, le recuit étant effectué sur autre couche à base dudit matériau semi-conducteur amorphe, selon une durée et une température prédéterminées à l'aide du paramètre Vol. L'invention concerne également un procédé d'étalonnage de four(s) de recuit pour dispositif à semi-conducteur comprenant : - l'étalonnage d'un premier four de recuit 5 à l'aide d'un procédé tel que défini précédemment, - l'étalonnage d'un deuxième four de recuit par . recuit de cristallisation dans ledit deuxième four d'une épaisseur d'une deuxième couche dudit matériau semi-conducteur donné amorphe, - détermination de la vitesse V2 de cristallisation correspondante de la deuxième couche dudit matériau semi-conducteur donné, - détermination du paramètre V02 de la relation V2 (T) = V02 * exp (-Ea/kT2) , Ea une constante d'énergie d'activation d'Arrhenius, k la constante de Boltzmann, avec T2 la température de recuit de cristallisation de ladite deuxième couche, - détermination du paramètre A(1/T) = 1/T1 - 1/T2 pour lequel V1 (T1) = V2 (T2) . L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif à semi-conducteur comprenant au moins une étape de cristallisation ou de recristallisation, par recuit dans ledit deuxième four étalonné à l'aide d'un tel procédé d'une épaisseur ei de matériau semi-conducteur donné selon une température fixée en fonction de A(1/T). BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement 6 limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1A-1B illustrent un exemple de procédé suivant l'invention, - la figure 2 donne différentes courbes d'Arrhenius de référence représentatives de la vitesse de recristallisation du Germanium en fonction de la température, - la figure 3 donne des exemples de courbes d'Arrhenius obtenues respectivement avec un premier de four de recuit et un deuxième four de recuit pour dispositif à semi-conducteur. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un exemple de procédé d'étalonnage d'un four prévu en particulier pour effectuer des recuits pour des dispositifs à semi-conducteur, notamment des recuits de cristallisation ou de recristallisation, ainsi qu'un procédé de recristallisation d'un matériau semi-conducteur utilisant un four étalonné à l'aide dudit procédé, vont à présent être décrits. 7 On réalise tout d'abord une implantation ionique d'une couche 11 à base de matériau semi-conducteur 9 cristallin. Cette couche 11 peut reposer sur un substrat 10. Le matériau semi-conducteur 9 peut être du Ge, par exemple du Ge monocristallin. L'implantation est réalisée de manière à rendre amorphe au moins une épaisseur du matériau semi-conducteur 9 de la couche 11. Avec une réalisée par exemple selon une énergie de l'ordre de 150 keV et une dose de 1015cm-2, on peut rendre amorphe une épaisseur par exemple de l'ordre de 150 nm du matériau semi-conducteur 9 de la couche 11. Ensuite, on effectue une séparation du substrat en plusieurs morceaux. La découpe du substrat peut être réalisée par exemple dans une direction orthogonale au plan principal de ce dernier (indiquée sur la figure 1B par une ligne discontinue), de manière à obtenir plusieurs échantillons, par exemple deux échantillons El, E2 de la couche 11 reposant sur ce dernier. Sur un premier échantillon El, on peut effectuer une mesure d'une épaisseur de la couche 11 de matériau semi-conducteur qui a été rendue amorphe par l'implantation ionique. Ce premier échantillon El peut jouer le rôle d'échantillon de référence. Cette épaisseur peut être réalisée par exemple à l'aide d'un dispositif de mesure MET (� MET � pour � microscope électronique à transmission �, en anglais TEM pour � Transmission Electron Microscopy �). 8 On détermine ensuite, à l'aide d'une fonction de référence appelée loi de référence, qui peut être de type loi d'Arrhenius, suivant la forme V' (T) = v, o * exp(-Ea/kT) (avec Ea l'énergie d'activation d'Arrhenius, k la constante de Boltzmann, T la température de recuit) et qui est choisie en fonction du matériau semi-conducteur 9 considéré, une durée de recuit et une température de recuit pour recristalliser une portion déterminée de l'épaisseur de la couche 11 rendue amorphe. La portion déterminée peut être par exemple comprise entre les 2/3, et les 3/4, de l'épaisseur globale de la couche 11. Dans le cas, par exemple, où le matériau semi-conducteur 9 est du germanium, la loi d'Arrhenius servant de référence peut être par exemple issue, ou être formée à partir d'une loi telle que donnée dans le document de Csepregi et al : � Regrowth kinetics of amorphous Ge layers created by Ge and Si implantation of Ge crystals �, L. CSEPREGI, R. P. KULLEN et J. MAYER, Solid State Communications, 21, p.1019-1021, 1977, une représentation graphique Cio de cette loi de référence étant représentée par exemple sur la figure 2. Une autre loi d'Arrhenius de référence, issue, ou formée à partir d'une loi issue du document de Donovan et al. : � Calorimetrie studies of crystallization and relaxation of amorphous Si and Ge prepared by ion implantation �, E. P. DONOVAN, F. S PAEPEN, D. TURNBULL, J. M. POATE et D. C. JACOBSON, Journal of Applied Physics, 57(6), pp. 1795-1804, 1984, peut être également utilisée. Une représentation 9 graphique C20 de cette autre loi de référence est représentée sur la figure 2. Selon un autre exemple, la loi d'Arrhenius de référence peut être issue du document de Lu et al. : � Pressure-enhanced crystallization kinetics of amorphous Si and Ge : Implications for point-defect mechanisms �, G-Q. LU, E. NYGREN et M. J. AZIZ, Journal of Applied Physics, 70, pp. 5323, 1991, une représentation graphique Cao de ce troisième exemple de loi de référence étant donnée sur la figure 2. Selon une autre possibilité, la loi d'Arrhenius de référence peut être issue par exemple du document de Kringhoj et al. � Solid-Phase Epitaxial Crystallization of Strain-Relaxed Sii_XGex Alloy Layers �, P. KRINGHOJ et R. G ELLIMAN, Physical Review B, 73, pp. 858-861, 1994, une représentation graphique Cu de ce quatrième exemple de loi de référence étant donnée sur la figure 2. La loi d'Arrhenius de référence peut être, selon un autre exemple, issue du document de Haynes et al.: � Composition dependence of solid-phase epitaxy in silicon-germanium alloys Experiment and theory �, T. E. HAYNES, M. J. ANTONELL, C. A. LEE et K. S. JONES, Physical Review B, 51, pp. 7762-7771, 1995, une représentation graphique C50 de ce cinquième exemple de loi de référence étant donnée sur la figure 2. La loi d'Arrhenius de référence peut être, selon un autre exemple, issue du document de Koffel et al., proceedings of 214th ECS meeting, 2008, une représentation graphique Cu de cet exemple de loi de référence étant donnée sur la figure 2. 10 Selon une autre possibilité, la loi d'Arrhenius de référence peut être issue par exemple du document de Johnson et al : � Intrinsic and dopant enhanced solid-phase epitaxy in amorphous germanium �, B. C. JOHNSON, P. GORTMAKER et J. C. MCCALLUM, Physical Review B, 77, pp. 214109, 2008, une représentation graphique Cao de cette loi de référence étant donnée sur la figure 2. Ces lois de référence illustrées sur la figure 2 montrent que l'énergie d'activation de la recristallisation (pente des droits) peut être considérée comme constante. La dispersion des courbes est attribuée à la dispersion des bilans thermiques réels des différents équipements de recuit. Une fois la durée de recuit et la température de recuit évaluées pour recristalliser la portion déterminée de l'épaisseur de la couche 11 rendue amorphe, on effectue ensuite sur un deuxième échantillon E2, un recuit, selon les paramètres de durée et de température qui viennent d'être définis. Sur le deuxième échantillon E2, on effectue ensuite également une mesure d'une épaisseur de la couche 11 qui a été rendue amorphe par implantation. A partir de la mesure d'épaisseur effectuée sur le deuxième échantillon E2, et de la durée de recristallisation, on déduit la vitesse de recristallisation V1. On en déduit ensuite un paramètre Vol, caractéristique du four qui a été utilisé pour effectuer les recuits sur le premier échantillon El et sur le deuxième échantillon E2. 11 Ce paramètre Vol est un terme de la relation V1 (T1) = Vol * exp (-Ea/kT) , avec V1 la vitesse de recristallisation, Ea l'énergie d'activation de la recristallisation choisie préalablement, T1 la température de recuit. Ultérieurement, on peut prédire, à l'aide du paramètre Vol, des couples : [durée de recuit ; température de consigne pour ce recuit], pour toute épaisseur donnée du matériau semi-conducteur 9 à re-cristalliser ou à re-cristalliser dans le four dans lequel on a effectué l'étalonnage à l'aide des échantillons E1 et E2. Le paramètre V01 est spécifique au four de recuit utilisé. Si l'on souhaite effectuer dans un autre four de recuit, une recristallisation d'une couche à base du même matériau semi-conducteur que l'échantillon E2, un autre étalonnage dudit autre four est réalisé. On peut réaliser cet autre étalonnage en déterminant la vitesse de cristallisation V2 d'une deuxième couche dudit matériau semi-conducteur, puis en déterminant le paramètre V02 de la relation V2 (T2) = Vol * exp (-Ea/kT2) , spécifique à cet autre four, avec T2 la température de recuit. On peut ensuite déterminer A(1/T), avec A(1/T) = (1/T1)-(1/T2) pour laquelle V1(T1) = V2(T2), ce qui permet, si l'on souhaite recristalliser une certaine épaisseur ei de matériau semi-conducteur donné dans le deuxième four, de conserver la même durée de recuit de recristallisation que celle utilisée dans le premier four pour recristalliser cette épaisseur ei en 12 utilisant A(1/T) la température de recuit du deuxième four par rapport à celle du premier four pour recristalliser l'épaisseur ei. Sur la figure 3, des courbes Czoo et C3oo représentatives d'évolution de la vitesse de recristallisation d'un matériau semi-conducteur donné en fonction de la température, respectivement pour un premier four de recuit et pour un deuxième four de recuit, sont données. Les paramètres Vol, Vol peuvent permettre de déterminer une vitesse de recristallisation dans le deuxième four pour une même température de consigne que le premier four et donc ajuster la durée de recuit, ou de déterminer la température de consigne du deuxième four pour obtenir une même épaisseur recristallisée que dans le premier four, avec la même durée de recuit. On peut importer ainsi d'un four à l'autre une même recette de recuit, en adaptant uniquement la température de recuit.20 REVENDICATIONS1. Procédé d'étalonnage d'un four de recuit pour dispositif à semi-conducteur comprenant les étapes de : a) cristallisation par recuit dans ledit four d'une épaisseur donnée d'une couche (10) de matériau semi-conducteur donné (9) amorphe, b) détermination de l'épaisseur cristallisée puis de la vitesse de cristallisation V1 de ladite couche de matériau semi-conducteur donné (9) effectuée à l'étape a), c) détermination du paramètre V01 de la relation V1 (T1) = V01 * exp (-Ea/kT1) , Ea une constante d'énergie d'activation d'Arrhenius, k la constante de Boltzmann, T1 la température de recuit de cristallisation à l'étape a). 2. Procédé selon la revendication 1, la couche (10) de matériau semi-conducteur donné (9) ayant été rendue amorphe, préalablement à l'étape a), par implantation de dopants dans ledit matériau semi-conducteur donné (9). 3. Procédé selon la revendication 2, le recuit effectué à l'étape a) ayant une durée et une température déterminées à l'aide d'une loi d'Arrhénius de référence.30 14 4. Procédé de réalisation d'un dispositif à semi-conducteur comprenant au moins une étape de cristallisation ou de re-cristallisation, par recuit dans un four étalonné à l'aide d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 3, d'une autre couche à base dudit matériau semi-conducteur amorphe, selon une durée et une température prédéterminées à l'aide du paramètre Voi déterminé à l'étape c). 5. Procédé d'étalonnage de four(s) de recuit pour dispositif à semi-conducteur comprenant : - l'étalonnage d'un premier four de recuit à l'aide d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 3, - l'étalonnage d'un deuxième four de recuit par : - recuit dans ledit deuxième four d'une épaisseur d'une deuxième couche dudit matériau semi-conducteur donné amorphe, détermination de la vitesse de cristallisation V2 de ladite deuxième couche dudit matériau semi-conducteur, - détermination du paramètre Vol de la relation V2 (T2) = V02 * exp (-Ea/kT2) , Ea une constante d'énergie d'activation d'Arrhenius, k la constante de Boltzmann, avec T2 la température de recuit de cristallisation de la deuxième couche, - détermination du paramètre A(1/1)=(1/11)-(1/12) pour lequel V1 (T1) = V2(12) .30 15 6. Procédé de réalisation d'un dispositif à semi-conducteur comprenant au moins une étape de cristallisation ou de re-cristallisation, par recuit dans ledit deuxième four étalonné à l'aide d'un procédé selon la revendication 5, d'une épaisseur ei d'une couche de matériau semi-conducteur amorphe, selon une température du deuxième four ajustée en fonction de A (1/T) . 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, ledit matériau semi-conducteur étant du Germanium.