Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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COUCHE DE SILICIUM TRES SENSIBLE A L'OXYGENE ET PROCÉDÉ
D'OBTENTION DE CETTE COUCHE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une couche
de silicium qui est très sensible à l'oxygène ainsi
qu'un procédé d'obtention de cette couche.
Elle s'applique notamment en
microélectronique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Le carbure de silicium (SiC) est un
matériau semiconducteur composé IV-IV très intéressant,
qui convient en particulier aux dispositifs et capteurs
de grande puissance, haute tension ou haute
température.
Récemment, de très importants progrès ont
été accomplis dans la connaissance des surfaces de ce
matériau et des interfaces de SiC avec les isolants et
les métaux.
Deux des questions importantes pour le
succès des dispositifs électroniques à base de SiC (et
en particulier de ceux qui sont fondés sur les
polytypes hexagonaux de ce matériau) concernent
l'obtention de transistors MOS performants, la
passivation de surface et donc l'oxydation de SiC, et
la structure Isolant sur SiC.
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Remarquons que le silicium est actuellement
le matériau semiconducteur le plus utilisé,
principalement à cause des propriétés exceptionnelles
du dioxyde de silicium (Si02).
De ce point de vue, SiC est spécialement
intéressant puisque sa passivation de surface peut être
réalisée par croissance de Si02, dans des conditions
similaires à celles du silicium.
Cependant, du fait de la présence de
carbone, l'oxydation classique (oxydation directe de
SiC) des surfaces de SiC (en particulier des surfaces
hexagonales de ce matériau) conduit en général à la
formation d'oxydes de Si et de C, qui ont de médiocres
propriétés électriques, et à des interfaces Si02/SiC
qui ne sont pas abruptes, la transition entre SiC et
Si02 se faisant sur plusieurs couches atomiques.
La mobilité électronique dans les couches
d'inversion de structure MOS sur p-SiC est bien plus
faible (d'un facteur 10) que sur le silicium du fait du
désordre à l'interface.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de
remédier aux inconvénients précédents.
Elle a pour objet une couche de silicium
qui favorise considérablement la croissance d'un oxyde
sur un substrat et conduit à une interface
Si02/Substrat qui est abrupte, la transition entre le
substrat et Si02 se faisant quasiment sur quelques
couches atomiques.
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De façon précise, la présente invention a
pour objet une couche de silicium formée sur un
substrat, cette couche étant caractérisée en ce qu'elle
a une structure de surface 4x3 (on dit aussi qu'elle
est reconstruite 4x3), le substrat étant apte à
recevoir cette structure de surface 4x3 du silicium ou
propre à favoriser la formation de cette structure.
L'invention a également pour objet une
couche de silicium formée sur un substrat, cette couche
(2) étant caractérisée en ce qu'elle a une structure de
surface 4x3, le substrat (4) étant apte à recevoir cette
structure de surface 4x3 du silicium ou propre à favoriser
la formation de cette structure, la couche de silicium
favorisant la croissance d'oxyde de silicium sur le
substrat.
De préférence, le substrat est fait d'un
matériau choisi parmi les carbures de silicium et le
silicium.
Le carbure de silicium peut être
monocristallin (sous forme cubique, hexagonale (plus de
170 polytypes) ou rhomboédrique), polycristallin,
amorphe ou poreux.
A titre d'exemple, la couche est formée sur
une surface 6H-SiC (0001) reconstruite 3x3, N/3 x-~3
6-~3 x 6~3 ou Ixl par exemple.
La présente invention concerne aussi un
procédé d'obtention de la couche objet de l'invention.
Selon ce procédé, on dépose de façon
sensiblement uniforme du silicium sur une surface du
substrat.
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Selon un mode de mise en aeuvre préféré du
procédé objet de l'invention, on prépare une surface du
substrat à recevoir la couche de silicium, on chauffe
le substrat à haute température, au moins 1000 C, on
dépose de façon sensiblement uniforme le silicium sur
la surface du substrat ainsi chauffé, on effectue au
moins un recuit du substrat, sur lequel on a déposé le
silicium, à au moins 1000 C, le temps total de recuit
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étant d'au moins 5 minutes, et l'on refroidit le
substrat à une vitesse d'au moins 100 C/minute.
De préférence, dans le cas où le substrat
est fait d'un carbure de silicium monocristallin, le
silicium est déposé sur ce substrat chauffé autour. de
650 C, le substrat est ensuite recuit à au moins 650 C,
le temps total de recuit étant d'au moins 7 minutes,
puis refroidi à une vitesse d'au moins 50 C/minute.
De préférence, en particulier dans le cas
où le substrat est fait d'un carbure de silicium
monocristallin, la préparation de la surface du
substrat à recevoir le silicium monocristallin et/ou
promouvoir sa formation comprend un chauffage
auxiliaire du substrat à au moins 1000 C, un dépôt
auxiliaire sensiblement uniforme de silicium
monocristallin sur la surface du substrat ainsi chauffé
et au moins un recuit auxiliaire du substrat après ce
dépôt auxiliaire, à au moins 650 C, le temps total de
recuit auxiliaire étant d'au moins 7 minutes.
Avant le chauffage auxiliaire, la
préparation de la surface du substrat comprend de
préférence un dégazage du substrat sous ultra-vide puis
au moins un recuit de ce substrat puis un
refroidissement du substrat.
Dans la présente invention, le silicium est
de préférence déposé par évaporation sous vide
( vacuum evaporation ).
Selon un mode de mise en uvre préféré de
l'invention, le silicium est déposé à partir d'une
surface d'un échantillon de silicium, cette surface de
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l'échantillon étant supérieure à la surface du
substrat.
De préférence, la surface de l'échantillon
de silicium et la surface du substrat sont séparées par
5 une distance de l'ordre de 2 à 3 cm.
La présente invention concerne aussi un
procédé d'obtention d'une couche de dioxyde de
silicium, caractérisé en ce qu'on fabrique une couche
de silicium sur un substrat conformément au procédé
d'obtention de couche de silicium objet de l'invention
et l'on oxyde cette couche de silicium.
BREVE DESCRIPTION DU DESSIN
La présente invention sera mieux comprise à
la lecture de la description d'exemples de réalisation
donnés ci-après, à titre purement indicatif et
nullement limitatif, en faisant référence à la figure
unique annexée qui illustre schématiquement la
fabrication d'une couche de silicium conformément à
l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Conformément à un exemple de l'invention,
on pré-dépose un film mince de silicium (dont
l'épaisseur est par exemple d'au moins 0,5 nm (c'est-à-
dire plusieurs plans atomiques de silicium) sur une
surface de SiC hexagonal.
L'oxydation de ce dernier est alors
considérablement facilitée.
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Elle a lieu à basse température (inférieure
à 500 C) et conduit à la formation d'une interface
abrupte Si02/SiC et d'un film d'oxyde Si02 sans atome de
carbone.
Les inventeurs ont identifié par
microscopie à effet tunnel ( scanning tunneling
microscopy ) la structure de ce film mince de silicium
sur la surface de SiC.
Ce film mince a une structure de surface
4x3 dont la formation n'est pas comprise dans l'état de
la technique.
Cette structure a une très grande
réactivité vis-à-vis de l'oxygène.
Sa sensibilité à ce gaz est
exceptionnelle : elle réagit à une exposition d'oxygène
inférieure à 1 langmuir c'est-à-dire inférieure à 10-6
torr.seconde (environ 10-4 Pa.s) alors que les surfaces
correspondantes de SiC hexagonal, de SiC cubique, de
Si(100) ou de Si(111) sont beaucoup moins réactives et
même presque inertes à une exposition aussi faible.
On donne maintenant un exemple de
préparation d'une couche de silicium conforme à
l'invention.
Dans cet exemple, on utilise un échantillon
de carbure de silicium monocristallin 6H-SiC qui est
commercialement disponible auprès de la Société
Epitronics.
La face utilisée de cet échantillon est la
face (0001), de type silicium.
Elle est terminée par du silicium avec une
faible densité de marches.
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A titre purement indicatif et nullement
limitatif, cet échantillon a une longueur de 13 mm, une
largeur de 5 mm et une épaisseur de 300 }im environ.
On commence par préparer une surface propre
6H-SiC (0001) reconstruite 3x3.
On effectue d'abord un rinçage de
l'échantillon à l'éthanol.
Ensuite, l'échantillon de carbure de
silicium est introduit dans une enceinte à ultra vide
où l'on établit une pression de l'ordre de 3x10-9 Pa et
où cet échantillon est chauffé par effet Joule direct
grâce au passage d'un courant électrique à travers
l'échantillon.
La température de ce dernier est mesurée à
l'aide d'un pyromètre à infra rouge.
Dans l'exemple considéré, la longueur
d'onde de travail X du pyromètre vaut 0,9 pm et
l'émissivité E de l'échantillon en carbure de silicium
vaut 0,53.
Tout d'abord, on dégaze l'échantillon en le
laissant pendant 24 heures à 650 C sous ultra vide.
On fait ensuite subir une série de recuits
à l'échantillon jusqu'à ce qu'aucun contaminant ne soit
détecté :
On chauffe par exemple l'échantillon à
1000 C pendant 3 minutes puis à 1100 C pendant 1 minute
puis à 1200 C pendant 1 minute.
On refroidit ensuite lentement (par exemple
à une vitesse de 100 C par minute) l'échantillon
jusqu'à la température ambiante (environ 20 C).
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Ensuite, pendant 10 minutes, à l'aide d'une
évaporation sous vide effectuée au moyen d'un
échantillon de silicium propre (dont, à titre
d'exemple, la longueur vaut 20 mm et la largeur 10 mm)
que l'on chauffe à 1150 C, on dépose uniformément du
silicium sur la surface de l'échantillon de carbure de
silicium porté à 650 C.
Pendant ce dépôt, l'échantillon de carbure
de silicium et l'échantillon de silicium se font face
et se trouvent à une distance D de 2 cm l'un de
l'autre.
La plus grande surface de l'échantillon de
silicium permet l'homogénéité, c'est-à-dire
l'uniformité, du dépôt de silicium sur l'échantillon de
carbure de silicium.
Enfin on reproduit, pour l'échantillon de
SiC ainsi recouvert de silicium, la série de recuits
décrite précédemment : cet échantillon est chauffé à
1000 C pendant 3 minutes puis à 1100 C pendant 1 minute
puis à 1200 C pendant 1 minute.
On explique dans ce qui suit la formation
d'une couche mince de Si en structure de surface 4x3
(maille carrée) sur la surface propre de carbure de
silicium 6H-SiC (0001) qui peut par exemple être
reconstruite 3x3.
On effectue pendant 13 minutes un dépôt
uniforme de silicium dans des conditions identiques à
celles qui ont été décrites pour la préparation de la
surface propre : pendant 10 minutes, à l'aide d'une
évaporation sous vide effectuée au moyen de
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l'échantillon de silicium chauffé à 1150 C,
l'échantillon de SiC étant porté à 650 C.
Puis on effectue une série de recuits de
l'échantillon de carbure de silicium : 1 minute à 750 C
puis 1 minute à 700 C puis 5 minutes à 650 C.
On refroidit ensuite lentement cet
échantillon jusqu'à la température ambiante, par
exemple à une vitesse de 50 C par minute.
La surface de 6H-SiC (0001) ainsi obtenue
comporte de vastes domaines reconstruits 4x3 (maille
carrée) qui coexistent avec d'autres domaines
reconstruits 3x3 (maille hexagonale).
Les zones reconstruites 4x3 ont des
dimensions de l'ordre de 550 nm x 450 nm, sont
quasiment exemptes de marches et possèdent quelques
îlots formant des bandes ayant une longueur de
plusieurs centaines de nanomètres, une largeur de
quelques dizaines de nanomètres et une hauteur
d'environ 0,3 nm.
La figure unique annexée illustre très
schématiquement la fabrication de cette couche 2 de
silicium de structure 4x3 sur la surface propre du
substrat 4 de 6H-SiC (0001) reconstruit 3x3.
On voit aussi l'enceinte 6 dans laquelle a
lieu la préparation du substrat 4 et la formation de la
couche 2.
Les moyens de pompage permettant
l'obtention de l'utra-vide sont symbolisés par la
flèche 8.
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Le substrat 4 est monté sur un support
approprié 10 et les moyens de chauffage du substrat par
effet Joule sont symbolisés par les flèches 12.
On voit aussi des moyens de chauffage par
5 effet Joule de l'échantillon de silicium 14, ces moyens
étant symbolisés par des flèches 16.
La couche de silicium conforme à
l'invention ainsi obtenue a une structure et des
propriétés sans précédent.
10 Elle est très sensible à l'oxygène, ce qui
permet de faire des oxydations douces (comparées
aux processus généralement utilisés), à de faibles
températures c'est-à-dire inférieures ou égales à
5000C, et d'obtenir des interfaces Si02/SiC abruptes et
sans carbone dans la couche de Si02.
I1 convient de noter que le silicium peut
être déposé d'autres façons, par exemple par
chimisorption de silane ou évaporation par bombardement
électronique.
La présente invention n'est pas limitée à
la formation d'une couche de Si reconstruite 4x3 sur
une surface 6H-SiC (0001) reconstruite 3x3.
D'autres reconstructions de 6H-SiC (1000),
par exemple [3 x[3 ou 6,/3 x 6,r3 d'autres faces de
6H-SiC, par exemple 0001 ou d'autres faces, d'autres
polytypes, par exemple 3C-SiC ou 4H-SiC, sont également
utilisables pour y former une couche de Si reconstruite
4x3 conformément à l'invention.
Des substrats d'autres matériaux, par
exemple le silicium, sont également utilisables pour y
former une telle couche.
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La présente invention est très utile pour
la fabrication de dispositifs MOS et en particulier de
dispositifs MOSFET (transistors à effet de champ de
type MOS).
Elle est également utile pour la
passivation de tout composant, non seulement sur du
carbure de silicium mais encore sur du silicium ou
d'autres substrats sur lesquels une telle structure 4x3
du silicium peut être déposée.
La couche de silicium objet de l'invention
est une couche mince, susceptible de s'oxyder très
facilement, à très basse température (inférieure à
500 C) et même à température ambiante (environ 20 C).
La couche de dioxyde de silicium (Si02)
ainsi obtenue (a) subit moins de dommages sous l'impact
de rayonnements ionisants incidents que les couches de
Si02 de l'art antérieur parce qu'elle est réalisable à
plus basse température que ces couches, (b) est mince
(elle est susceptible d'avoir une épaisseur aussi
faible que 10 A et inférieure ou égale à 50 P.) et (c) a
une interface abrupte avec le substrat sous-jacent.
De plus, l'invention présente un très grand
intérêt en microélectronique : la capacité de former
une mince couche de Si02, sur un substrat en SiC ou en
Si, à partir de la couche de silicium 4x3 obtenue
conformément à l'invention présente un très grand
intérêt pour la miniaturisation des dispositifs
microélectroniques.
Certes, on connaît des documents DE-A-
34347727 (Sharp KK) (voir aussi US 5,272,107), Tan et
al. Appl. Phys. Lett. 70(17), 1997, pp.2280 à 2281 et
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JP-A-11067757 qui se rapportent à SiC. Mais ils ne
divulguent pas un substrat apte à recevoir la structure
de surface 4x3 du Si ou propre à favoriser la formation
de cette structure.
On connaît aussi un procédé d'obtention
d'une passivation, en Si02, sur du SiC par le document
EP-A-0637069 (Cree Research, Inc.). Mais la couche de
Si formée sur SiC, en vue de former la couche de Si02,
n'a rien à voir avec la couche objet de la présente
invention, ayant une structure de surface 4x3. La
technique divulguée dans ce document ne permet pas
d'aboutir à une telle structure. De plus, dans ce
document, l'obtention de la couche de Si02 à partir de
la couche de Si nécessite une oxydation thermique à
haute température (environ 1000 C) et à de très fortes
pressions de 02 (environ la pression atmosphérique)
alors que la couche de Si 4x3 de l'invention est, comme
on l'a vu plus haut, très facilement oxydable avec de
très faibles quantités de 02 et une faible température.
On connaît en outre, par Zotov et al.,
Surface Science Lett., 391(1997), pp.1188 à 1193, une
structure Si(100) 4x3 - In qui est totalement
différente de la couche Si 4x3 de la présente
invention. Son paramètre de maille est très différent
et elle nécessite la présence d'indium.
