Croissance épitaxiale vs CVD : qualité cristalline, substrat, température, usages

La croissance épitaxiale fait croître une couche monocristalline sur un substrat monocristallin, avec la même orientation cristalline que le substrat. La plupart des épitaxies de silicium sont réalisées par CVD (dépôt chimique en phase vapeur) : les deux ne s’opposent donc pas, et l’épitaxie peut être vue comme une CVD qui prolonge le cristal du substrat et fait croître du monocristal (il existe aussi des méthodes sans CVD, comme la MBE). Ce tableau compare la croissance épitaxiale de monocristal à la CVD ordinaire, qui dépose des couches non monocristallines comme le polysilicium, le silicium amorphe, l’oxyde et le nitrure.

CritèreCroissance épitaxialeCVD (dépôt ordinaire)
Cristal obtenuMonocristal qui prolonge l’arrangement et l’orientation du cristal sous-jacentPolycristallin (polysilicium) ou amorphe ; les couches d’oxyde et de nitrure de silicium sont elles aussi amorphes
Exigence sur le substratIl faut une surface monocristalline propre à reproduire. En hétéroépitaxie d’un autre matériau, les désaccords de paramètre de maille et de dilatation thermique posent problèmePas besoin de monocristal : les couches se déposent sur oxyde, métal, topographie gravée ou toute surface que le gaz peut atteindre
Préparation de surface avant croissanceStricte. Un oxyde natif d’environ 1 nm d’épaisseur ou du carbone resté en surface amorce des défauts comme les fautes d’empilement. Pour le silicium, un nettoyage HF est généralement suivi d’un recuit sous hydrogène à environ 1 100 °C qui élimine l’oxydeAucun cristal ne doit se raccorder à la couche sous-jacente : l’élimination de l’oxyde est donc en général moins stricte que pour l’épitaxie
Tendance de températurePour le silicium, dépend du précurseur : environ 1 100–1 150 °C avec le trichlorosilane, environ 1 000–1 100 °C avec le dichlorosilane et environ 600–900 °C avec le silane. Le SiC utilise environ 1 500–1 650 °CLarge plage selon la méthode : LPCVD environ 600–800 °C, CVD plasma environ 300–400 °C. Le silicium issu du silane est amorphe en dessous d’environ 580 °C et polycristallin au-dessus
Couches typiquesCouches épitaxiales de silicium, SiGe, SiC et couches de semi-conducteurs composés comme le GaN et le GaAsPolysilicium, silicium amorphe, oxyde de silicium (à partir du TEOS notamment), nitrure de silicium, tungstène
Contrôle du dopageLe dopage in situ par phosphine ou diborane pendant la croissance permet à chaque couche d’avoir sa propre concentration et donne des profils en profondeur abrupts. L’autodopage à partir de substrats fortement dopés doit être maîtriséLe polysilicium peut être rendu conducteur par dopage in situ ; pour les couches isolantes, le dopage n’est pas l’objectif principal
Principaux usagesCouches de dérive faiblement dopées des composants de puissance, plaquettes épitaxiées pour CMOS (comme p/p+), substrats de capteurs d’image CMOS, source/drain surélevés des transistors, bases de HBT SiGe, structures multicouches des LED et des lasersDiélectriques intercouches, remplissage STI, espaceurs, masques durs, grilles et résistances en polysilicium, plots de tungstène
Ce que signifie la qualitéDéfauts cristallins comme les fautes d’empilement et les dislocations, épaisseur et résistivité (dopage) de la couche épitaxiale. En hétéroépitaxie, dépasser l’épaisseur critique introduit des dislocations de désaccordUniformité d’épaisseur, couverture de marche, densité de la couche et impuretés comme l’hydrogène, contrainte de la couche
ÉquipementsPour le silicium sur plaquettes de 300 mm, les réacteurs monoplaquettes chauffés par lampes dominent. Les semi-conducteurs composés utilisent largement la MOCVD, et la MBE sert aussi, par exemple en rechercheLPCVD traitant de nombreuses plaquettes à la fois dans un four vertical, CVD plasma, HDP-CVD pour le remplissage de tranchées, etc.

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Croissance épitaxiale
Lorsqu’il faut une couche qui assure le fonctionnement électrique du composant, avec peu de défauts et un dopage choisi indépendamment du substrat, comme une couche de dérive de composant de puissance ou des source/drain en SiGe.
CVD (dépôt ordinaire)
Lorsqu’il faut des isolants, des électrodes, des masques ou des couches de remplissage qui n’ont pas à être monocristallins, tout en recouvrant la topographie.
Même gaz, résultat différent
Le même précurseur de silicium donne du monocristal sur du silicium monocristallin propre, mais du polysilicium ou similaire sur de l’oxyde. L’épitaxie sélective accentue cette différence avec des précurseurs chlorés ou du HCl, de sorte que le monocristal ne croît que là où le silicium est exposé.

Questions fréquentes

La croissance épitaxiale est-elle un type de CVD ?

La plupart des épitaxies de silicium sont réalisées par CVD : on peut donc la voir comme une façon d’utiliser la CVD pour faire croître du monocristal. Au sens strict, toutefois, l’épitaxie désigne le résultat, à savoir la croissance d’un monocristal qui prolonge le cristal sous-jacent, et la méthode ne se limite pas à la CVD. La MOCVD, très utilisée pour les semi-conducteurs composés, est une épitaxie par CVD, tandis que la MBE (épitaxie par jets moléculaires) apporte les matériaux sources sous forme de jets moléculaires sous ultravide et n’est pas une CVD.

Pourquoi effectue-t-on un recuit sous hydrogène avant l’épitaxie ?

Parce qu’un oxyde natif (environ 1 nm) ou une contamination comme le carbone restée en surface empêche une bonne croissance monocristalline et provoque des défauts comme les fautes d’empilement. Chauffer sous hydrogène à environ 1 100 °C fait s’évaporer l’oxyde sous forme de SiO et met à nu une surface cristalline propre. Les procédés avancés qui doivent limiter le budget thermique le combinent à un nettoyage humide ou à un traitement plasma et le réalisent à plus basse température.

Quelle est la différence entre une couche de silicium épitaxiée et le polysilicium ?

Une couche épitaxiée est un monocristal raccordé au substrat, avec peu de défauts cristallins : elle peut donc servir de couche assurant le fonctionnement électrique du composant, comme une couche de dérive ou des source/drain. Le polysilicium est un ensemble de petits grains qui peut être déposé n’importe où, y compris sur de l’oxyde, et sert aux électrodes de grille, aux résistances et à des éléments similaires.

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Quelle est la définition de la croissance épitaxiale ?

  1. ALa croissance d'une couche mince monocristalline sur un substrat monocristallin, en alignant son orientation cristalline sur celle du substrat
  2. BLe dépôt d'une couche amorphe sur un substrat
  3. CLa fusion du substrat à haute température suivie de sa recristallisation
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Réponse : A. La croissance d'une couche mince monocristalline sur un substrat monocristallin, en alignant son orientation cristalline sur celle du substrat

Dans la croissance épitaxiale, les atomes s'empilent en prolongeant l'arrangement cristallin du substrat, ce qui donne une couche monocristalline de même orientation que celui-ci. La concentration de dopants et le matériau peuvent être choisis indépendamment du substrat, et la couche obtenue contient moins de défauts qu'une plaquette CZ ; elle est donc utilisée pour les couches de dérive faiblement dopées des composants de puissance, les substrats de capteurs d'image CMOS, le SiGe des sources/drains de transistors ou encore les structures multicouches des LED et lasers.

Quel est l'objectif principal du chauffage de la plaquette sous hydrogène à haute température juste avant la croissance épitaxiale du silicium ?

  1. AOxyder la surface en profondeur
  2. BDoper fortement la surface
  3. CÉliminer l'oxyde natif de surface et exposer une surface cristalline propre
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Réponse : C. Éliminer l'oxyde natif de surface et exposer une surface cristalline propre

Si un oxyde natif (environ 1 nm) ou une contamination au carbone subsiste en surface, le monocristal croît mal par-dessus, ce qui provoque notamment des fautes d'empilement. Un chauffage sous hydrogène à environ 1100 ℃ avant croissance (recuit hydrogène) fait réagir le SiO2 avec le silicium, qui s'évapore sous forme de SiO, et expose une surface cristalline de silicium propre. Dans les procédés avancés soucieux du budget thermique, il est réalisé à plus basse température, combiné à un nettoyage chimique ou un traitement plasma préalables.

Lors du dépôt de silicium par décomposition thermique du silane, quel film obtient-on à basse température de dépôt ?

  1. ASilicium monocristallin
  2. BSilicium amorphe
  3. CDioxyde de silicium
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Réponse : B. Silicium amorphe

Le silicium obtenu par décomposition thermique du silane est amorphe en dessous d'environ 580 ℃ et polycristallin (polysilicium) au-dessus. Un dépôt amorphe suivi d'un long recuit vers 600 ℃ fait croître des cristaux à partir de peu de germes, d'où des grains plus gros (et une mobilité plus élevée) que pour un film déposé directement. Pour les transistors en couches minces (TFT) des écrans à cristaux liquides, on utilise aussi la cristallisation par laser.

  1. Quels gaz sont utilisés comme précurseurs pour la croissance épitaxiale du silicium ?
  2. Comment appelle-t-on l'ajout de dopants simultanément à la croissance, en injectant un gaz dopant pendant l'épitaxie ?
  3. Quelle est la définition de la croissance épitaxiale sélective ?

Questions d'entraînement sur Croissance épitaxiale

Termes clés expliqués

Croissance épitaxiale
Technique de croissance d'un film mince monocristallin sur un substrat monocristallin, en alignant son orientation cristalline sur celle du substrat.
CVD
Dépôt chimique en phase vapeur. Méthode de dépôt d'un film mince sur la plaquette par réaction chimique de gaz précurseurs.
Épitaxie sélective
Méthode de croissance cristalline uniquement sur les zones de silicium exposées, non couvertes d'isolant. Utilisée par exemple pour le SiGe des sources et drains des transistors.
Oxyde natif
Fine couche d'oxyde d'environ 1 nm qui se forme naturellement lorsque le silicium est exposé à l'air ou à l'eau. Elle augmente la résistance de contact et gêne l'épitaxie ; on la retire juste avant les étapes concernées.
Autodopage
Phénomène où, pendant la croissance épitaxiale, des impuretés du substrat, etc., sont incorporées dans la couche via la phase gazeuse. Problématique lors de la croissance d'une couche peu dopée sur un substrat fortement dopé.
LPCVD (CVD basse pression)
CVD thermique réalisée sous pression réduite. La diffusion plus rapide des molécules gazeuses donne une bonne uniformité d'épaisseur et une bonne couverture de marche, et de nombreuses plaquettes peuvent être traitées à la fois dans un four vertical. Utilisée pour le polysilicium et le nitrure.
MOCVD (épitaxie en phase vapeur aux organométalliques)
Méthode de croissance cristalline utilisant des composés organométalliques et des gaz comme l'ammoniac. Très utilisée pour les semi-conducteurs composés comme GaN et GaAs.

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