Tutorial on Microelectronics Technology Professeur Olivier Bonnaud
I) Définition :
L'épitaxie est une étape technologique consistant à faire croître du cristal sur du cristal. Etymologiquement, "épi" signifie "sur" et "taxis", "arrangement". La technique va donc consister à utiliser le substrat comme germe cristallin de croissance et à faire croître la couche par un apport d'éléments constituant la nouvelle couche. La couche épitaxiée peut être dopée ou non dopée.
On parlera, dans le cas où :
- les matériaux sont identiques, d'homoépitaxie ; par exemple, épitaxie d'une couche n- sur une couche n+, impliquée dans la jonction collecteur-base d'un transistor bipolaire permettant une meilleure tenue en tension de cette jonction polarisée en inverse (figure 14),
- les matériaux sont différents, d'hétéroépitaxie ; par exemple croissance d'une couche de GaxAl1-xAs sur une couche de GaAs ; cet assemblage permet la fabrication de super-réseaux ou de couches à forte mobilité destinées aux transistors HEMT (High Electron Mobility Transistor).
Dans ce dernier cas, la croissance ne sera possible que s'il y a accord de maille, c'est-à-dire même réseau cristallin et paramètres de maille très voisins (distance entre atomes peu différente pour le nouveau réseau ; quelque 1 à 2 % au maximum d'écart).
Figure 14 : Exemple d'une épitaxie n- sur un substrat de type n+ ; on dira que le substrat est épitaxié.
II) Mécanisme physique de base :
Pour comprendre la croissance épitaxiale, il faut s'attarder sur la possibilité de fixation des atomes en présence près de la surface et leur accrochage possible au réseau cristallin. Il faut d'une part que les atomes puissent se déplacer au niveau de la surface pour atteindre un site cristallin ou éventuellement quitter cette surface. Pour cela, il est nécessaire d'apporter de l'énergie qui est en général sous forme thermique. Plusieurs situations peuvent se présenter en fonction du lieu de collage des atomes à la surface avant réalisation des liaisons chimiques, tel que représenté sur la figure suivante. Les 3 mécanismes prépondérants sont les suivants :
- un atome arrive sur la surface et repart de celle-ci la liaison possible n'étant pas suffisante pour "accrocher" l'atome (A),
- un atome tombe dans un trou du réseau et établit immédiatement, vu son environnement plusieurs liaisons qui le fixent définitivement dans le cristal (B),
- un atome s'accroche sur le bord d'une marche et reste en moyenne lié (C).
L'analyse de ces 3 mécanismes (dont la présentation a été simplifiée), montre facilement que les trous seront les premiers bouchés et que la croissance se fera couche atomique par couche atomique à condition que l'apport d'atomes soit bien dosé et que ces derniers aient une énergie suffisante pour se mouvoir à la surface et atteindre les sites d'accrochage. Ces conditions vont dépendre de la méthode expérimentale utilisée.
III) Les méthodes expérimentales :
Il existe principalement 3 types de méthodes expérimentales.
- l'épitaxie par jet moléculaire, EJM ou MBE (Molecular Beam Epitaxy),
- l'épitaxie en phase liquide ou LPE (Liquid Phase Epitaxy),
- l'épitaxie en phase vapeur ou VPE (Vapor Phase Epitaxy).
Pour chacune de ces techniques, des appareillages spécifiques sont mis en œuvre.
L'épitaxie par jet moléculaire
Cette technique consiste à envoyer des molécules à la surface d'un substrat dans un vide très poussé afin d'éviter tout choc ou contamination sur le parcours. Le principe de la source est l'évaporation sous vide (cellule de Knudsen) par chauffage. Les sources d'évaporation peuvent être de nature et de dopage différents ; pour chaque élément évaporé, il faut adapter la puissance de chauffe de cellules mais aussi du porte-substrat. Par le contrôle des cellules d'évaporation, on crée un jet de molécules en direction du substrat ; on peut ainsi réaliser couche par couche des structures très complexes telles que les super réseaux, les diodes laser, les transistors à forte mobilité d'électron (HEMT). On obtient ainsi une très grande précision de croissance, des jonctions très abruptes, mais cette opération est très lente et ne concerne qu'un seul substrat à la fois. La vitesse de croissance est de l'ordre de 1nm par minute. Cette technique est donc très coûteuse et ne concerne que des dispositifs à très forte valeur ajoutée.
Ce système ultravide, 10-10 Torr, permet tous les contrôles et les caractérisations in-situ dont les principes nécessitent un vide poussé : diffraction d'électrons, spectroscopie Auger, ESCA (XPS ou UPS), diffraction des rayons X, etc... On peut ainsi, en permanence, vérifier la cristallinité du cristal en cours de croissance.
Figure 16 : Bâti d'épitaxie par jet moléculaire, EJM, ou Molecular Beam Epitaxy, MBE (d'après D.V Morgan et K. Board [3]).
L'épitaxie en phase liquide
Cette technique consiste à faire croître le cristal par la mise en contact du substrat avec une source liquide. C'est le même principe que le tirage d'un lingot par la méthode Czochralski. Il faut bien contrôler les échanges thermiques pour éviter de liquéfier le cristal existant. Cette méthode présente l'avantage d'être très rapide, la vitesse de croissance peut être de l'ordre du micron par minute mais bien sûr n'a pas du tout la même précision que l'EJM.
Figure 17 : Dispositif multibain d'épitaxie en phase liquide. Les solutions peuvent être de matériau ou de dopage différents pour réaliser une hétéroépitaxie (par exemple un hétérotransistor bipolaire).
L'épitaxie en phase vapeur (VPE ou CVD)
Cette opération consiste à faire croître le cristal à partir de sources de gaz contenant les éléments dopants. Dans le réacteur, les gaz se dissocient pour fournir par exemple le silicium qui se dépose à la surface des plaquettes. Pour assurer une bonne croissance ces dernières sont chauffées. Nous verrons dans la suite que suivant la température de croissance, les réactions mises en jeu sont très différentes et qu'elles peuvent même conduire à des effets négatifs. Il faudra donc aussi contrôler les équilibres chimiques par injections de gaz résultant de la décomposition de la source. Nous allons donner, ci-dessous, plus d'information sur ces différentes réactions.
Figure 18 : Banc d'épitaxie en phase vapeur. Les gaz injectés contiennent en général du trichlorosilane, du HCl et de l'hydrogène.
Procédés d'épitaxie en phase vapeur du silicium
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IV) Aspect thermodynamique de l'épitaxie : système H/Si/Cl :
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V) Epitaxie sélective :
En fonction des gaz en présence dans les réacteurs et en fonction de la nature du matériau en surface, le phénomène d'épitaxie se produit ou non. En d'autres termes, il est possible de trouver des conditions pour lesquelles on effectue une croissance sélective. Il est par exemple possible d'effectuer une croissance de silicium sur du silicium en évitant la formation de la couche sur l'oxyde. La figure suivante met en évidence ce type de phénomène qui est actuellement exploité pour éviter des opérations de photolithogravure (qui sera vu plus loin) et qui permet de diminuer les dimensions des composants élémentaires et donc d'augmenter l'intégration.
Figure 21 : Transistor NMOS en technologie submicronique. Les source et drain ont été "épaissis" par épitaxie sélective suivie d ’une siliciuration. Les contacts Aluminium sont effectués sur le siliciure.
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