Brevet FR2002924A1 — publié le 19691031

î 2002924 L'invention a trait à un dispositif semiconducteur, et plus particulièrement, à un dispositif semiconducteur dans lequel le bloc semiconducteur comporte des zones où les porteurs minoritaires ont des durées de vie différentes. 5 lia durée de vie des porteurs minoritaires dans un semicon ducteur, par exemple du silicium, a une influence importante sur les caractéristiques du dispositif correspondant» Par exemple, une longue durée de vie (de l'ordre de quelques microsecondes ou plus) favorise le3 chutes de tension directe dans les diodes et les thy-10 ristors et des gains élevés dans les transistors.De très courtes durées de vie (quelques centaines de nanosecondes ou moins) permettent un fonctionnement à grande vitesse du dispositif» Des défauts chimiques, par exemple des impuretés d'or, de cuivre et d'autres métaux agissent comme centres de recombinaison dans le 15 silicium et réduisent la durée de vie des porteurs minoritaires. Ainsi, la diffusion d'or dans du silicium a été utilisée pour la fabrication de dispositifs semiconducteurs à commutation rapide. Dans des dispositifs plus élaborés, la commande de zones à faible durée de vie est également souhaitable. Le niveau de 20 diffusion d'or dans des blocs de silicium peut être commandé dans les directions latérales jusqu'à un certain point en utilisant des masques appropriés® Cependant, la commande de la distribution d'or en épaisseur dans des blocs de silicium est plus difficile du fait du grand coefficient de diffusion de l'or et des effets 25 de sa précipitation. Ainsi, les techniques de diffusion ne permettent pas facilement de fabriquer de nombreuses structures, telles que celles ayant des zones profondes à faible durée de vie. La présente invention élimine les difficultés indiquées 30 ci-dessus par la mise en oeuvre d'un bloc semiconducteur comportant un substrat* et au moins une couche épitaxiale déposée sur ce substrat, caractérisé par le fait qu'au moins une zone de cette couche incorpore des particules de dimensions inférieures au micron d'un matériau appartenant au groupe comprenant le carbure 35 de silicium, le nitrure de silicium et l^tain- L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre- 69 05377 2 2002924 La concentration des centres de recombinaison à l'intérieur d'une couche semiconductrice commande la durée de vie des porteurs dans cette couche. Pour déposer des centres de recombinaison dans une couche à croissance épitaxiale d'un matériau semi-5 conducteur, deux conditions de basé doivent être remplies. D'abord, les centres de recombinaison de la couche épitaxiale doivent être thermiquement stables et avoir un faible coefficient de diffusion dans le but de permettre la génération de zones très localisées de porteurs à faible durée de vie dans la couche épitaxiale. Eh-10 suite, l'introduction de centres de recombinaison dans cette couche épitaxiale ne doit pas introduire de défauts importants de structure, et ne doit pas gêner la croissance ultérieure d'un matériau à grande durée de vie. A titre d'exemple, l'invention sera décrite dans le cas de 15 formation de centres de recombinaison dans des couches épitaxiales de silicium déposées par croissance sur un substrat de silicium* On a trouvé que certaines substances, par exemple, le ni-trure de silicium et le carbure de silicium, quand on les incorpore dans du silicium épitaxial sous forme de particules ayant 20 des dimensions inférieures à 1 pi, forment des centres de recombinaison convenable. L'étal.n est tra. autre exemple d'un matériau qui, quand on l'incorpore sous forme atomique ou en petits agglomérés, fournit aussi des centres de recombinai son convenables. Le matériau créant des centres de recombinaison est de préférence 25 formé par la réaction de réactifs gazeux convenables se produisant simultanément avec la réaction chimique engendrant la croissance épitaxiale du silicium sur une surface préparée d'un substrat de silicium® Un procédé préférable consiste à introduire les matériaux nécessaires sous forme gazeuse dans le silicium en engendrant 30 un mélange réactif gazeux avant son entrée dans l'appareil de croissance épitaxiale. En faisant varier la concentration des matériaux gazeux introduits dans ce mélange, on peut obtenir une absence de centres de recombinaison dans la couche épitaxiale, une concentration croissante de centres de recombinaison avec une aug-35 mentation-de l'épaisseur de la couche épitaxiale, une concentration décroissante des centres de recombinaison avec «ne augmentation de l'épaisseur de la couche épitaxiale, une concentration uniforme des centres de recombinaison avec une augmentation de 69 05377 3 2002924 1*épaisseur de la couche épitaxiale, ou une combinaison quelconque de ces possibilités. Un substrat de silicium est préparé et du silicium est déposé par croissance épitaxiale sur une face préparée du substrat 5 en utilisant une technique connue quelconque. Par exemple, 1*appareil et le procédé décrits dans la demande de brevet anglais W° 21 045/66 de la demanderesse peuvent être utilisés- Un type de particules inférieures au micron, qui peuvent se former par dépôt simultané avec la couche de silicium épitaxiale 10 dans le but de commander la durée de vie du matériau qui croit est fourni par le nitrure de silicium. Ce corps est thermiquement stable jusqu'au point de fusion du silicium et sa diffusion dans le silicium est négligeable. La charge du silicium épitaxiale par du nitrure de silicium, pour commander sa durée de vie, n'influ-15 ence pratiquement pas la qualité des couches ultérieurement non chargées. La réaction chimique se produisant entre le silane ou le tétrachlorure de silicium et l'ammonium ou l'azote est un procédé connu de production du nitrure de silicium» Ainsi, la réaction du 20 silicium sur l'ammonium ou l'azote peut être utilisée pour former du nitrure de silicium dans le silicium épitaxial. L'incorporation de particules de nitrure de silicium de dimensions inférieures au micron dans le silicium épitaxial peut s'obtenir en ajoutant de l'ammoniaque ou de l'azote au mélange réactif gazeux formé dans 25 le but d'effectuer la croissance d'une couche de silicium, avant l'entrée de ce mélange dans l'appareil de croissance épitaxiale dans lequel un substrat est maintenu à une température élevée pendant cette croissance. La concentration des particules de nitrure de silicium dans le silicium épitaxial peut varier en réglant la 30 concentration de l'ammoniaque ou de l'azote dans le mélange gazeux réactif pendant l'opération de dépôt. Des zones profondes à faible durée de vie et d'autres configurations de structure peuvent être obtenues de cette manière. Par exemple, on peut obtenir les configurations suivantes : ' 35 10 - Un substrat ayant une. couche épitaxiale déposée par croissance à sa surface, cette couche comprenant une première zone de silicium sans particules de nitrure de silicium, une deuxième zone de silicium ayant une concentration uniforme de particules de 69 05377 4 2002924 nitrure de silicium de moins de 1 fi engendrées par croissance sur la. première zone et une troisième zone de silicium n'ayant pas de particules de nitrure engendrées par croissance sur la deuxième zone» 5 2o — Un substrat ayant une couche épitaxiale de silicium obtenue par croissance sur une de ses faces, cette couche comprenant une première zone de silicium n'ayant pas de particules de nitrure engendrées par croissance sur cette face, une deuxième zone de silicium contenant des particules de nitrure de silicium 10 de dimensions inférieures au micron et de concentration variable augmentant avec la distance à la première zone, et une troisième zone de silicium sans particules de nitrure engendrées par croi-sance sur la deuxième zone- 3» - Un substrat ayant une couche épitaxiale de silicium 15 obtenue par croissance à sa surface, cette couche comprenant une première zone de silicium engendrée par croissance sur la surface du substrat, une deuxième zone de silicium contenant des particules de nitrure de silicium de dimensions inférieures au micron et de concentration variable décroissant quand la distance à la première 20 zone augmente, et une troisième zone de silicium engendrée par croissance sur la deuxième zone. 4» - Un substrat ayant une couche épitaxiale déposée par croissance sur sa surface, cette couche comprenant une première zone de silicium contenant des particules de nitrure de silicium 25 cLe dimensions inférieures au micron ayant une concentration variable diminuant quand la distance à ladite surface augmente, et une deuxième zone de silicium obtenue par croissance sur la première zone. « - On remarquera que d'autres configurations peuvent être 30 obtenues" par ce procédé. Le carbure de silicium permet également de commander la durée de "vie du silicium épitaxial. Le carbure de silicium est introduit dans le silicium épitaï al de la même façon que le nitrure de silicium ; ce carbure étant déposé en particules de dimensions 35 inférieures au micron» N'importe quel réactif gazeux qui produit du carbure de silicium et qui est compatible avec le mélange gazeux produisant la croissance épitaxiale du silicium est une impureté convenable» Par exemple des hydrocarbures tels que le 69 05377 ■5 2002924 méthane ou des halogénures de carbone introduits dans un mélange réactif gazeux d'hydrogène et de trichlorosilane produisent des particules de carbure de silicium dans la couche épitaxiale de silicium. 5 Une autre impureté convenable permettant de commander la durée de vie du silicium épitaxial est l'étain. Des particules d'étain peuvent être incorporées au silicium épitaxial par décomposition thermique d'un composé d'étain convenable, par exemple un.- halogénure d'étain tel que le chlorure d'étain* 69 05377 6 2002924 EEVMDIO ATIONS 1o — Dispositif semiconducteur renfermant un bloc semiconducteur composé d'un substrat et d'au moims une couche épitaxiale sur ce substrat, caractérisé par le fait qu'au moins une zone de cette couche épitaxiale incorpore des particules de dimensions in-5 férieures au micron d'un matériau appartenant au groupe comprenant le carbure de silicium, le nitrure de silicium et l'étain. 2o - Dispositif selon revendication 1, dans lequel ladite zone est une sous-couche contigue au substrat mais d'épaisseur inférieure à celle de la couche épitaxiale. 10 3. - Dispositif selon revendication 1 dans lequel ladite zone est unè- sous-couche prise en sandwich entre les parties restantes de la couche épitaxiale qui ne renferment pas lesdites particules. 4. - Dispositif selon revendications 1, 2 ou 3, dans le- 15 quel la concentration desdites particules augmente quand la distance audit substrat diminue. 5. - Dispositif selon revendications 1, 2 ou 3, dans lequel la concentration desdites particules diminue quand la distance au substrat augmente* 20 6. - Dispositif semiconducteur selon une des revendications précédentes, dans lequel le bloc semiconducteur est un bloc de silicium»