Brevet FR3057102A1 — publié le 20180406

B15249 - 15-GR3-0123 1 PROCEDE DE DEPOT PAR EPITAXIE EN PHASE GAZEUSE Domaine La présente demande concerne un procédé de dépôt par épitaxie d'un matériau semiconducteur et plus particulièrement d'un dépôt de silicium-germanium monocristallin sur des surfaces de silicium monocristallin ou de silicium-germanium monocristallin. Exposé de l'art antérieur Les figures lA et 1B illustrent un procédé classique de dépôt sélectif par hétéroépitaxie en phase gazeuse de silicium- germanium sur des régions formées sur une plaquette de silicium. La figure lA représente, par un chronogramme 10, l'évolution de la température de la plaquette au cours du processus. La figure 1B représente, par un chronogramme 20, les 15 différents gaz présents dans un réacteur d'épitaxie au cours du processus. Pendant un procédé de dépôt sélectif par hétéroépitaxie en phase gazeuse, la plaquette sur laquelle on souhaite réaliser le dépôt est disposée dans un réacteur d'épitaxie. Un réacteur 20 d'épitaxie est une enceinte dans laquelle un ou plusieurs gaz sont injectés et pompés de façon à contrôler la pression des gaz dans le réacteur d'épitaxie. Un réacteur d'épitaxie est équipé d'un 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 2 suscepteur sur lequel on dispose la plaquette. Un suscepteur est un support dont la température est contrôlée par l'utilisateur. Pendant toute la durée du processus, un gaz porteur 22 circule dans le réacteur d'épitaxie. Un procédé de dépôt sélectif par 5 hétéroépitaxie en phase gazeuse d'un semiconducteur, par exemple du silicium-germanium sur la surface d'une plaquette, par exemple en silicium, comprend trois étapes principales successives. La première étape est une étape de chauffe du suscepteur et donc de la plaquette. Le chronogramme 10 montre que, entre des 10 instants t0 et tl, la température du suscepteur et de la plaquette est amenée et maintenue à une température de dépôt Td. La plaquette peut subir un recuit de nettoyage pendant cette période de chauffe. La température est dans ce cas augmentée jusqu'à une température supérieure à la température de dépôt Td (ceci est illustré par la portion de courbe en pointillés 12). Ce recuit de nettoyage peut en outre permettre d'accélérer la mise en température. La deuxième étape est une étape de dépôt épitaxial. Le chronogramme 20 montre que, entre l'instant t1 et un instant t2, des gaz 24 propres à produire un dépôt sélectif sont introduits dans le réacteur d'épitaxie. Les gaz 24 comprennent des gaz précurseurs du dépôt du semiconducteur monocristallin, par exemple des gaz précurseurs du dépôt de silicium et de germanium, et des gaz susceptibles de graver le silicium. La température du suscepteur est maintenue à la valeur Td et les gaz de dépôt 24 permettent de réaliser le dépôt sur une surface de silicium tout en évitant un dépôt sur les autres parties de la plaquette. La valeur de la température de dépôt Td est choisie entre autres en fonction des gaz de dépôt 24 utilisés et de la composition souhaitée du dépôt. A titre d'exemple, pour effectuer un dépôt de silicium-germanium, les gaz de dépôt peuvent être du dichlorosilane (Si2H2C12) et du germane (GeH4). Du chlorure d'hydrogène (HC1) est couramment introduit pendant la phase de dépôt, pour rendre ce dernier sélectif. Cela permet la formation d'un dépôt épitaxial sur des surfaces exposées de silicium 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 3 monocristallin et d'empêcher un dépôt sur des surfaces masquées, par exemple par de l'oxyde de silicium. La troisième étape est une étape de purge du réacteur d'épitaxie et de refroidissement du suscepteur. Le chronogramme 5 20 montre que, après l'instant t2, on cesse d'introduire dans le réacteur d'épitaxie les gaz de dépôt 24. Les gaz de dépôt restant dans le réacteur à épitaxie sont évacués par pompage. Ensuite, la température du suscepteur et donc de la plaquette est abaissée ou la plaquette est déchargée, ce qui conduit aussi au 10 refroidissement de la dite plaquette. La figure 2 est une vue en coupe illustrant une structure épitaxiée 30. A titre d'exemple, la structure 30 comprend du silicium-germanium sur du silicium. La croissance hétéroépitaxiale se produit sur une région 32, par exemple en 15 silicium, entourée d'une région isolante 34, par exemple en oxyde de silicium. Sur une surface 35 de la région 32, repose un dépôt épitaxial 36, par exemple de silicium-germanium. Le dépôt épitaxial 36 déborde généralement latéralement sur la zone isolante 34 par croissance latérale comprise généralement entre 20 0,3 et 1 fois la valeur de l'épaisseur du dépôt. Ce dépôt a une épaisseur par exemple entre 4 et 25 nm. Ce dépôt peut être réalisé par un procédé de dépôt par épitaxie en phase gazeuse, comme celui décrit en relation avec les figures lA et 1B. Sur la figure 2, le dépôt semiconducteur 36 a une section droite rectangulaire et une 25 face supérieure plane, mais en pratique le dépôt pourrait être facetté avec des facettes non verticales mais inclinées par exemple de type (orientation) {111}. La figure 3 est une vue en coupe d'une structure épitaxiée 40 formée sur une région 32 de petites dimensions. En 30 effet on constate que, lorsque l'on réduit la dimension L jusqu'à une valeur inférieure à 30 nm, le dépôt épitaxial 36 n'a plus une forme de plot droit éventuellement facettée mais d'un plot à angles arrondis, et peut même atteindre une forme plus ou moins sphérique. Ces phénomènes d'arrondissement présentent des 35 inconvénients pour les étapes ultérieures de fabrication. 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 4 Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de dépôt par épitaxie en phase gazeuse de silicium, de germanium ou de silicium-germanium sur une surface semiconductrice 5 monocristalline d'un substrat, ce procédé comprenant des étapes successives suivantes : disposer le substrat dans un réacteur d'épitaxie balayé par un gaz porteur ; porter la température du substrat à une première valeur ; introduire, pendant une première durée, au moins un premier gaz précurseur du silicium et/ou un 10 gaz précurseur du germanium ; et réduire la température du substrat à une deuxième valeur, le procédé comprenant, après la première durée et pendant l'étape de réduction de température, le maintien de l'introduction du premier gaz précurseur du silicium et/ou l'introduction d'un deuxième gaz précurseur du silicium, 15 lesdits gaz ayant une pression partielle adaptée à former une couche de silicium ayant une épaisseur inférieure à 0,5 nm. Selon un mode de réalisation, la surface du substrat est en silicium. Selon un mode de réalisation, le gaz porteur est un gaz 20 inerte. Selon un mode de réalisation, le gaz porteur est du dihydrogène, du diazote, de l'hélium ou un gaz rare. Selon un mode de réalisation, les premier et/ou deuxième gaz précurseurs du silicium sont choisis dans le groupe comprenant 25 le silane, le disilane, le dichlorosilane, le trichlorosilane ou tétrachlorure de silicium. Selon un mode de réalisation, le gaz précurseur de germanium est choisi dans le groupe comprenant le germane et le digermane. 30 Selon un mode de réalisation, le procédé comprend un dépôt par épitaxie sélective pendant lequel on introduit pendant la première durée un gaz susceptible de graver le silicium. Selon un mode de réalisation, le gaz susceptible de graver le silicium est choisi dans le groupe comprenant le 35 chlorure d'hydrogène ou le chlore gazeux. 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 5 Selon un mode de réalisation, le procédé comprend le dépôt par épitaxie en phase gazeuse de silicium-germanium sur une surface d'un substrat en silicium de dimension latérale inférieure à 40 nm formée sur une région de silicium, ledit procédé 5 comprenant des étapes successives suivantes : disposer le substrat dans un réacteur d'épitaxie balayé par du dihydrogène ; porter la température du substrat à une première valeur ; introduire pendant une première durée du dichlorosilane, du germane et du chlorure d'hydrogène ; et réduire la température du substrat à une deuxième 10 valeur, le procédé comprenant, après la première durée et pendant la phase de réduction de température, le maintien de l'introduction du dichlorosilane. Selon un mode de réalisation, le silicium-germanium a une concentration en germanium supérieure à 35%. 15 Selon un mode de réalisation, le dépôt de silicium- germanium a une épaisseur comprise entre 4 et 25 nm. Selon un mode de réalisation, le dihydrogène est introduit dans le réacteur d'épitaxie à un débit compris entre 40 et 50 litres standard par minute, le dichlorosilane est introduit 20 à un débit compris entre 0,06 et 0,3 litre standard par minute, par exemple de l'ordre de 0,1 litre standard par minute, le germane est introduit à un débit compris entre 0,006 et 0,03 litre standard par minute, par exemple de l'ordre de 0,01 litre standard par minute et le chlorure d'hydrogène est introduit à un débit 25 compris entre 0,01 et 0,1 litre standard par minute, par exemple de l'ordre de 0,06 litre standard par minute. Selon un mode de réalisation, la première valeur de température est comprise entre 650 et 750 °C. Selon un mode de réalisation, la deuxième valeur de 30 température est comprise entre 400 et 650 °C. Selon un mode de réalisation, le silicium ou le silicium-germanium est dopé au bore in situ par utilisation de diborane. 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 6 Selon un mode de réalisation, le silicium ou le silicium-germanium est dopé avec un dopant de type négatif in situ par utilisation de phosphine ou d'arsine. Selon un mode de réalisation, le dépôt épitaxial est en 5 un alliage de silicium-germanium-carbone. Un autre mode de réalisation prévoit une structure obtenue par la mise en oeuvre du procédé décrit précédemment. Selon un mode de réalisation, la structure est hétéroépitaxiée et comprend un dépôt de silicium-germanium sur 10 une surface en silicium de dimension latérale inférieure à 40 nm d'un substrat, ce dépôt ayant une dimension latérale inférieure à 40 nm et étant facetté, sans arrondissement des angles des facettes. Brève description des dessins 15 Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures LA et 1B, précédemment décrites, 20 représentent des chronogrammes illustrant un procédé de dépôt par hétéroépitaxie ; la figure 2, précédemment décrite, est une vue en coupe d'une structure hétéroépitaxiée ; la figure 3, précédemment décrite, est une vue en coupe 25 d'une autre structure hétéroépitaxiée ; les figures 4A et 4B représentent deux chronogrammes illustrant un mode de réalisation d'un procédé de dépôt par hétéroépitaxie ; et la figure 5 est un graphique illustrant la forme du 30 dépôt réalisé avec le procédé de la figure 4. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de 35 réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 7 Dans la description qui suit, sauf précision contraire, l'expression "de l'ordre de" signifie à 10 % près, de préférence à 5 % près. On propose ici un mode de réalisation d'un procédé de 5 dépôt par épitaxie en phase gazeuse de silicium, de germanium ou de silicium-germanium sur un substrat semiconducteur, par exemple du silicium ou du silicium-germanium. Ce procédé comprend les mêmes étapes que le procédé décrit en relation avec les figures lA et 1B, à la différence que certains gaz de dépôt sont conservés 10 dans le réacteur d'épitaxie après la phase d'épitaxie proprement dite. Les gaz 24 comprennent, par exemple, des gaz précurseurs du dépôt de silicium, des gaz précurseurs du dépôt de germanium et des gaz susceptibles de graver le silicium. Les gaz que l'on choisit de conserver sont appelés par la suite gaz actifs. Les 15 gaz actifs comprennent des gaz précurseurs du dépôt de silicium et des gaz susceptibles de graver le silicium. L'homme de l'art saura déterminer les pressions partielles de gaz actifs à introduire de façon à former une couche de silicium dont l'épaisseur reste inférieure à 0,5 nm. 20 Les gaz précurseurs du dépôt de silicium sont par exemple du silane (SiH4), du disilane (Si2H6), du trisilane (Si3H8), du dichlorosilane (SiH2C12), du trichlorosilane (SiHC13), du tétrachlorure de silicium (SiC14), ou tout autre précurseur connu. Les gaz précurseurs du dépôt de germanium sont 25 par exemple le germane ou le digermane (Ge2H6), ou tout autre précurseur connu. Les gaz susceptibles de graver le silicium sont par exemple du chlorure d'hydrogène (HC1), ou du chlore gaz (C12). A titre d'exemple, pour un cas de dépôt épitaxial de silicium-germanium sur du silicium en présence de dichlorosilane 30 (SiH2C12), de germane (GeH4) et de chlorure d'hydrogène (HC1), le gaz porteur étant du dihydrogène (H2), les gaz actifs sont le dichlorosilane et éventuellement le chlorure d'hydrogène. La figure 4A représente, par un chronogramme 50, l'évolution de la température au cours du processus. 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 8 La figure 4B représente, par un chronogramme 60, les différents gaz circulant dans le réacteur d'épitaxie au cours du procédé. Ce mode de réalisation comprend les phases successives 5 suivantes : - entre les instants t0 et tl, augmenter la température du suscepteur jusqu'à la température de dépôt Td ; - entre les instants t1 et t2, introduire les gaz de dépôt 24 ; 10 - entre l'instant t2 et un instant t3, maintenir les gaz actifs 62 susmentionnés et réduire la température jusqu'à une température Tdu à laquelle la mobilité de surface des atomes de silicium ou de germanium devient négligeable et la forme de la structure épitaxiée n'est plus susceptible de se déformer sous 15 l'action de la température ; et - après l'instant t3, purger le réacteur et ventiler lorsque la température de la plaquette atteint une température suffisamment basse. A titre d'exemple, pour obtenir un dépôt de silicium- 20 germanium ayant, par exemple, une concentration de germanium comprise supérieure à 35 %, on choisit les valeurs de pression et de débit suivants. La pression totale des gaz dans le réacteur d'épitaxie est de l'ordre de 2600 Pa (20 torr). Le dihydrogène peut être introduit dans le réacteur d'épitaxie à un débit compris 25 entre 30 et 40 slm (litres standard par minute, litre à des conditions de pression et de température standard, soit pour une pression de 1 bar et une température de 25 °C). Le dichlorosilane est introduit, par exemple, à un débit de l'ordre de 0,1 slm. Le germane est introduit, par exemple, à un débit de l'ordre de 30 0,01 slm. Le chlorure d'hydrogène est introduit, par exemple, à un débit de l'ordre de 0,05 slm. La température de dépôt Td est comprise entre 650 et 750 °C, par exemple 620 °C. La durée de la phase de dépôt t2-t1 est par exemple de l'ordre de 300 s pour un dépôt d'épaisseur de l'ordre de 20 nm. La température Tdu est 35 comprise entre 400 et 650 °C, par exemple de l'ordre de 500 °C. 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 9 Dans le cas où on souhaite former un dépôt de silicium-germanium dopé avec des atomes de bore, on ajoute aux gaz de dépôt 24 un gaz contenant des atomes de bore, tel que du diborane (B2H6). Le diborane peut être introduit dans le réacteur d'épitaxie à un 5 débit choisi en fonction des débits des autres gaz de dépôt, ce choix étant à la portée de l'homme du métier. Dans ce cas, on choisit par exemple une température de dépôt Td de l'ordre de 610 °C. Dans ces conditions, on réalise un dépôt de silicium-germanium dopé au bore avec une concentration en atomes dopants 10 comprise entre 1019 et 5x102° atomes/cm3, par exemple de l'ordre de 4x102° atomes/cm3. La figure 5 représente des profils de plots 72 et 74 obtenus respectivement par le procédé des figures lA et 1B et par celui des figures 4A et 4B, dans le cas de plots ayant des 15 dimensions latérales inférieures à 30 nm. L'axe des abscisses représente une dimension latérale L du plot et l'axe des ordonnées représente l'épaisseur H du plot. Ces deux dimensions sont exprimées en nm. Le profil 72 a une forme plus ou moins semi-circulaire comme le plot décrit en relation avec la figure 3. Le 20 profil 74 a une face supérieure sensiblement plane comme le plot de grandes dimensions décrit en relation avec la figure 2. Cette face supérieure ayant un rayon de courbure supérieur à 4 fois la largeur du motif et/ou une rugosité de type RA inférieure à 0,5 nm rms (root mean square) après correction de la courbure principale. 25 Ce résultat satisfaisant peut être interprété de la façon suivante. Le phénomène d'arrondissement (en anglais "thermal rounding") serait le résultat de la tension de surface de la surface de silicium (ou silicium-germanium ou germanium) et de la mobilité des atomes de silicium (et/ou germanium) après la phrase 30 de dépôt proprement dite. L'effet de ce phénomène s'accroît très fortement quand la dimension L devient inférieure à 30 nm. Il semblerait qu'après l'instant t2, une fois la phase de dépôt épitaxial terminée, la forme du dépôt soit identique à celle décrite en relation avec la figure 2, quelle que soit la valeur 35 de la dimension L. On considère que la dégradation de la forme du 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 10 plot apparaît pendant la troisième phase du procédé. Les atomes de silicium (et/ou germanium) du plot de silicium-germanium auraient une certaine mobilité de surface une fois le dépôt terminé, c'est-à-dire après l'instant t2. La mobilité de surface 5 diminuant lorsque la température diminue, le plot arrêterait de se déformer une fois une température Tdu atteinte. L'introduction des gaz actifs lors de cette phase engendrerait un phénomène d'adsorption d'atomes des gaz actifs à la surface du dépôt. Les atomes de silicium du dépôt seraient immobilisés par les atomes, 10 généralement de chlore et/ou d'hydrogène, provenant des gaz actifs se couplant à leurs liaisons libres. Ainsi le plot ne peut plus se dégrader. Cependant, comme la présence de germanium favorise la désorption des atomes de chlore et d'hydrogène et diminue la quantité de radicaux adsorbés, le germane ne fait donc pas partie 15 des gaz actifs. Le réarrangement des atomes du cristal semiconducteur, aux hautes températures de dépôt, par mobilité de surface, diminueraient l'énergie de surface des structures épitaxiées de petites dimensions. Cette même mobilité de surface à haute température serait en outre mise en jeu lors de la 20 formation des ondulations de Stranski-Krastanov qui affectent des surfaces planes épitaxiées en présence des contraintes mécaniques. Ces ondulations sont des irrégularités locales de l'épaisseur du dépôt. La présence de gaz précurseurs du dépôt de silicium. peut 25 favoriser le dépôt d'une couche de silicium, d'une épaisseur inférieure à 0,5 nm, à la surface du dépôt. Cette couche sera retirée par des différents nettoyages qui suivent classiquement les procédés de dépôt par épitaxie. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. 30 Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier ce procédé est également efficace pour supprimer les ondulations de Stranski-Krastanov. De plus, le silicium ou le silicium-germanium peut être dopé avec un dopant de type négatif in situ par utilisation de 35 phosphine ou d'arsine. 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 11 De plus, le dépôt épitaxial peut être en un alliage de silicium-germanium-carbone (SiGeC). REVENDICATIONS1. Procédé de dépôt par épitaxie en phase gazeuse de silicium, de germanium ou de silicium-germanium sur une surface (35) semiconductrice monocristalline d'un substrat, ce procédé comprenant des étapes successives suivantes : disposer le substrat dans un réacteur d'épitaxie balayé par un gaz porteur (22) ; porter la température du substrat à une première valeur (Td) ; introduire, pendant une première durée (t1), au moins 10 un premier gaz précurseur du silicium (24) et/ou un gaz précurseur du germanium (24) ; et réduire la température du substrat à une deuxième valeur (Tdu), le procédé comprenant, après la première durée (t1), le 15 maintien de l'introduction du premier gaz précurseur du silicium et/ou l'introduction d'un deuxième gaz précurseur du silicium, lesdits gaz ayant une pression partielle adaptée à former une couche de silicium ayant une épaisseur inférieure à 0,5 nm. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la 20 surface (35) du substrat est en silicium. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le gaz porteur (22) est un gaz inerte. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le gaz porteur (24) est du dihydrogène, du diazote, de l'hélium ou un 25 gaz rare. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les premier et/ou deuxième gaz précurseurs du silicium (24) sont choisis dans le groupe comprenant le silane, le disilane, le dichlorosilane, le trichlorosilane ou le 30 tétrachlorure de silicium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le gaz précurseur de germanium (24) est choisi dans le groupe comprenant le germane et le digermane. 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 13 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant un dépôt par épitaxie sélective pendant lequel on introduit pendant la première durée (t1) un gaz susceptible de graver le silicium (24). 5 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le gaz susceptible de graver le silicium (24) est choisi dans le groupe comprenant le chlorure d'hydrogène ou le chlore gazeux. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant le dépôt par épitaxie en phase gazeuse de silicium- germanium sur une surface (35) d'un substrat en silicium de dimension latérale inférieure à 40 nm formée sur une région (35) de silicium, ce procédé comprenant des étapes successives suivantes : disposer le substrat dans un réacteur d'épitaxie balayé 15 par du dihydrogène ; porter la température du substrat à une première valeur (Td) ; introduire, après une première durée (t1), du dichlorosilane, du germane et du chlorure d'hydrogène ; et 20 réduire la température du substrat à une deuxième valeur (Tdu), le procédé comprenant, à la fin de la première durée (t1), le maintien de l'introduction du dichlorosilane. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le 25 silicium-germanium a une concentration en germanium supérieure à 35%. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10 dans lequel le dépôt (36) de silicium-germanium a une épaisseur comprise entre 4 et 25 nm. 30 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le dihydrogène est introduit dans le réacteur d'épitaxie à un débit compris entre 40 et 50 litres standard par minute, le dichlorosilane est introduit à un débit compris entre 0,06 et 0,3 litre standard par minute, par exemple de l'ordre de 0.1 litre 35 standard par minute, le germane est introduit à un débit compris 3057102 B15249 - 15-GR3-0123 14 entre 0,006 et 0,03 litre standard par minute, par exemple de l'ordre de 0,01 litre standard par minute et le chlorure d'hydrogène est introduit à un débit compris entre 0,01 et 0,1 litre standard par minute, par exemple de l'ordre de 5 0,06 litre standard par minute. 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, dans lequel la première valeur (Td) de température est comprise entre 650 et 750 °C. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 10 à 13, dans lequel la deuxième valeur (Tdu) de température est comprise entre 400 et 650 °C. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, dans lequel le silicium ou le silicium-germanium est dopé au bore in situ par utilisation de diborane. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, dans lequel le silicium ou le silicium-germanium est dopé avec un dopant de type négatif in situ par utilisation de phosphine ou d'arsine. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 20 à 16, dans lequel on dépose par épitaxie un alliage de siliciumgermanium-carbone (SiGeC). 18. Structure obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17. 19. Structure selon la revendication 18, dans laquelle 25 la structure est hétéroépitaxiée et comprend un dépôt (36) de silicium-germanium sur une surface (35) en silicium de dimension latérale inférieure à 40 nm d'un substrat, ledit dépôt (36) ayant une dimension latérale inférieure à 40 nm et étant facetté, sans arrondissement des angles des facettes. 30