2-1 Substrat étudié

II-2-3- Température de croissance...37

II-3- Cinétique de croissance du silicium sélectif... 37

II-3-1- Influence de la température de dépôt ...38

II-3-1-1- Systèmes non sélectif ... 39 II-3-1-2- Chimies sélectives ... 41

II-3-2- Influence de la pression partielle de HCl ...43 II-3-3- Influence de la pression partielle de silane ...45 II-3-4- Sélectivité du dépôt de silicium suivant la

température de dépôt...46 II-3-5- Comparaison entre les chimies à base de silane

et de DCS ...49 II-3-6- Effet de charge local ...50

CHAPITRE II

L’épitaxie sélective de silicium

fin d’aborder, dans les meilleures dispositions, la complexité des phénomènes physiques liés à l’incorporation de germanium et de carbone dans les films de silicium, il est utile de connaître et surtout de comprendre la croissance du silicium sélectif. Cette étude est également nécessaire puisque dans les différentes technologies BiCMOS, une couche épitaxiée de silicium appelée “cap Si”, est déposée sur le film SiGeC pour former la base épitaxiée Si/SiGeC des transistors bipolaires. Dans ce cas, l’ajustement de l’épaisseur de cette couche Si est primordial. En effet, c’est elle qui permet de moduler la position du profil du dopant de l’émetteur et qui détermine la position de la jonction émetteur/base du dispositif. Si l’épaisseur du cap Si est trop élevée, la jonction émetteur/base se fera à faible concentration en germanium, à faible concentration d’arsenic (dopant de l’émetteur) et de bore (dopant de la base) dans le cas d’un transistor bipolaire npn. Les performances du Transistor Bipolaire à Hétérojonction (ou TBH) seront alors amoindries (par exemple un gain ou des fréquences faibles). En fait, cette jonction doit se situer impérativement dans la couche SiGe de la base, afin de garantir l’effet d’hétérojonction. Avec le rapprochement des profils de dopants de la base et de l’émetteur réalisés sur les technologies avancées, le contrôle du procédé de dépôt du cap Si devient primordial.

Le paramètre le plus crucial à étudier est la température de dépôt du silicium. Notre objectif est l’application de l’épitaxie sélective de silicium aux architectures avancées des transistors bipolaires qui nécessitent de faibles budgets thermiques. Par conséquent, la température de dépôt doit rester basse pour limiter la diffusion du dopant du film SiGeC. Les faibles températures de croissance sont aussi nécessaires pour limiter la formation de défauts dans des films à teneur en germanium et de carbone relativement élevée. Nous avons donc axé nos études sur des épitaxies sélectives de silicium élaborées à des températures inférieures à 800°C.

Dans les procédés par dépôt chimique en phase vapeur ou CVD (“Chemical

Vapor Deposition”), la croissance épitaxiée inclut à la fois des réactions en phase

gazeuse et en surface. Le procédé sélectif étant plus complexe que le procédé non sélectif, le choix des paramètres intrinsèques au dépôt est très important. Dans un premier temps, nous justifierons le choix du précurseur de silicium utilisé pour réaliser les films de silicium sélectifs. Nous décrirons ensuite les conditions de dépôt dans lesquelles nous nous sommes placés. Enfin nous discuterons de l’influence des différents paramètres de dépôt sur la cinétique de croissance de Si SEG (“Selective

Epitaxial Growth”).

A

II-1- Précurseur de silicium utilisé

Les précurseurs de silicium les plus couramment étudiés dans le cas d’un dépôt de silicium pur sont le silane (SiH4), le dichlorosilane (SiH2Cl2 ou DCS) et le

tétrachlorure de silicium (SiCl4). En fait, la croissance sélective de couche épitaxiée

pour la production de circuit intégré tout silicium utilise presque invariablement des sources contenant du chlorure diluées dans de l’hydrogène. Le silane est principalement utilisé pour les dépôts non sélectifs alors qu’un dépôt sélectif de silicium se fait préférentiellement à l’aide de dichlorosilane.

Les principaux avantages du DCS par rapport aux précurseurs hydrures (SiH4

ou Si2H6), donnés dans la littérature, sont :

• un temps d’incubation plus long pour la nucléation du silicium sur les zones de diélectriques, du moins sur oxyde de silicium (dans notre étude, nous nous sommes intéressés au nitrure de silicium).

• la production de molécules de HCl lors de sa décomposition, qui ralentissent la nucléation du silicium sur les zones de diélectriques. Comme nous le verrons dans le paragraphe II-2-1, le dépôt de silicium doit être sélectif par rapport à un film de nitrure de silicium, ce qui est beaucoup plus difficile que d’obtenir un dépôt sélectif par rapport à de l’oxyde de silicium. L’addition de HCl dans le mélange gazeux permet d’améliorer la sélectivité du dépôt. Néanmoins, plus la quantité de HCl est élevée, plus la vitesse de croissance est réduite. L’apport de chlorure semble être la cause de la diminution de la vitesse de croissance du dépôt sélectif. Or d’un point de vue industriel, le taux de croissance n’est pas un facteur à négliger. Bien que les couches épitaxiées soient de faible épaisseur, la durée du dépôt doit être typiquement de quelques minutes. N’oublions pas également que notre but final est d’incorporer des atomes de carbone dans des couches de silicium-germanium sélectives, afin de réduire au maximum la diffusion du dopant.

Dans la littérature, les composés hydrures sont connus pour fournir des vitesses de croissance plus élevées que les sources chlorées [Meyer 92]. Malgré les avantages du DCS pour le contrôle de la sélectivité, nous avons donc utilisé dans nos travaux, un mélange SiH4/HCl/H2 pour réaliser nos dépôts silicium, sélectifs par

rapport au nitrure, en visant une amélioration de la vitesse de croissance. L’apport du gaz de HCl est alors essentiel pour garantir une absence de nucléation de noyau de silicium sur les zones diélectriques. Si la quantité de HCl introduite dans le système SiH4/HCl/H2 est insuffisante, des îlots de silicium, voire un film de silicium

polycristallin, peuvent croître sur le diélectrique. Nous étudierons dans le même temps, le système DCS/HCl/H2, à titre comparatif.

II-2- Conditions de dépôt

Regardons maintenant plus précisément le détail de nos conditions de dépôt. De nombreux paramètres intrinsèques et extrinsèques au réacteur d’épitaxie, influencent directement la qualité, la cinétique de croissance et la sélectivité du dépôt. Dans l’introduction de ce chapitre, nous avons déjà fait allusion aux fonctions du dépôt Si dans la base du transistor bipolaire, en citant les paramètres intrinsèques au réacteur d’épitaxie. Précisons maintenant les conditions de dépôt que nous avons utilisées pour l’épitaxie sélective de silicium, ainsi que le type de plaques utilisées pour réaliser notre étude.

II-2-1- Substrat étudié

Pour étudier la cinétique de croissance des épitaxies sélectives de silicium, un seul type de plaque a été utilisé. Il s’agit de plaques de silicium recouvertes presque entièrement de diélectrique. Les zones de silicium réparties sur toute la surface de la plaque représentent environ 1% de sa superficie. Le reste de la plaque (99%) est recouvert de nitrure de silicium (Si3N4). Ces 1% de zones silicium forment

des motifs repartis sur toute la surface de la plaque, et leurs dimensions varient de 800x800µm² à 10x10µm². Sur ce masque, il existe également des chaînes de motifs dont les dimensions sont semblables à celle des transistors bipolaires. Une puce du masque est représentée en annexe A3.

En fait, ce type de plaque a une structure similaire aux plaques de lot, avec une succession de couches qui sont déposées avant le dépôt nitrure. L’empilement commence par le dépôt d’un oxyde TEOS (Tetra-Ethyl Ortho-Silicate) sur un substrat de silicium (100). Ensuite vient une couche de silicium polycristallin, puis à nouveau une couche d’oxyde. Une couche de nitrure Si3N4 est déposée sur cette deuxième

couche d’oxyde. Ce dépôt nitrure est gravé en définissant les futurs motifs destinés à accueillir l’épitaxie sélective (figure II-1-a). Cette couche nitrure sert aussi de masque pour la gravure du deuxième film d’oxyde ainsi que la couche de silicium polycristallin (ou Si poly). La gravure s’arrête sur le premier film de TEOS déposé (figure II-1-b). Puis une nouvelle couche de Si3N4, cette fois-ci plus mince, est

déposée (figure II-1-c). Elle est ensuite gravée de façon anisotrope par une gravure sèche. Ce second dépôt nitrure est nécessaire pour former des espaceurs dans les futures zones Si, afin de protéger le flanc des couches de TEOS et de Si poly. Pour finir, une gravure humide venant retirer une partie de la première couche de TEOS, met à nu le Si du substrat (figure II-1-d). Les zones de silicium monocristallin sont alors définies sur la plaque et sont prêtes à accueillir les dépôts épitaxiés. Ce type de structure a été décrit dans la littérature avec différentes variantes [Meister 95] [Ohue 98] [Sato 99] [Tang 00].

Figure II-1 : Description des étapes de fabrication précédant l’étape d’épitaxie dans le cas

d’un dépôt sur des plaques nitrure.

a) dépôt TEOS dépôt Si poly dépôt TEOS dépôt nitrure gravure nitrure Substrat Si TEOS TEOS Si poly Si3N4

b) gravure TEOS & gravure Si poly

c) dépôt nitrure _{d) gravure nitrure}

gravure TEOS Zone diélectrique (nitrure) Zone de Si monocristallin

Cette succession de couches est similaire à l’empilement présent avant l’étape d’épitaxie sur les plaques de lot de développement des TBH à structure complètement auto-alignée. Cependant, ces “plaques nitrure” ont une émissivité légèrement différente de celle des plaques de lot. Il faudra donc ajuster la température de dépôt lors du passage en production de nos procédés.

Lors du procédé sélectif de silicium, le temps de dépôt est calculé de telle sorte que l’épaisseur de Si SEG soit proche de 200Å. En général, dans les lots de production, l’épaisseur de la couche de silicium varie entre 100Å et 200Å. Nous avons donc décidé de développer des procédés applicables aux configurations les plus défavorables en terme de sélectivité.

Figure II-2 : Description

de l’étape d’épitaxie sélective dans le cas d’une plaque nitrure.

Afin de pouvoir mesurer et caractériser le dépôt Si SEG, une couche de silicium-germanium sélectif est déposée entre le substrat et le film silicium. Cette couche SiGe est un marqueur indispensable pour mesurer les épaisseurs de silicium à l’aide d’un ellipsomètre. Ce marqueur est épais d’environ 350Å.