Brevet FR2016207A1 — publié le 19700508

- 1 - 2016207 La présente invention se rapporte aux semiconducteurs ainsi qu'aux procédés utilisés pour les doper? Pour former des régions de semiconducteurs présentant une activité électrique commandée, par exemple les régions de 5 type £ et de type n, on introduit' des atomes de dopage dans la matière semiconductrice.'' les atomes -de dopage n'agissent que lorsqu'ils adoptent des sites atomiques dans le réseau cristallin où ils remplacent les atomes qui y sont logés? L'implantation d'ions de dopage dans un semiconducteur 10 effectué en "bombardant ce dernier avec les ions assure un bon réglage de la profondeur de la pénétration des ions ainsi que du nombre d'ions introduits dans une région particulière du semiconducteur? Le bombardement ionique produit des dégâts sur le réseau 15 cristallin et, à l'exception de certaines implantations effectuées à des températures élevées de la cible, des traitement de recuit ultérieurs, à une température modérée (par exemple de 630° C pour le silicium) sont nécessaires pour supprimer ou réduire les effets nuisibles du rayonnement et pour faire prendre aux atomes implan-20 tés des positions de substitution dans le réseau? Pour certaines implantations, les dégâts dus au rayonnement -.sont .suffisamment étendus pour former une région de surface à peu près complètement amorphe dans la matière semiconduc-trice.' Cependant, avec d'autres implantations, et en particulier 25 lorsqu'on implante du bore dans du silicium, les dégâts dus au rayonnement sont beaucoup moindres pour les doses qui normalement sont nécessaires? » La présente invention est basée sur l'appréciation que plus les dégâts dus au rayonnement sont importants, plus on a de 30 chances,-au moment du recuit, que les ions implantés prennent des positions de remplacement dans le réseau et agissent par suite de manière à modifier l'activité électrique du semiconducteur? La limite utile des dégâts dus au rayonnement est celle qui produit une phase à peu près complètement amorphe dans toute la 35 région qu'on désire doper? La présente invention fournit un procédé pour doper une région d'une matière semiconductrice qui consiste à bombarder la région,dans une mesure prédéterminée, avec les ions de la matière de dopage, et à bombarder,de plus, la région avec des ions 40 non dopants, le bombardement étant accompagné ou suivi par un 69 28892 _ 2 - 2016207 chauffage afin de recuire, la région. De préférence, la dose et; l'énergie des ions non dopants ' sont' choisies de telle sorte qu'en com'binaison avec le bombardement par les ions dopants, elles agissent en l'absence de tout 5 recuit pour former une phase à peu près complètement amorphe dans la région de la surface du semiconducteur qui est pénétrée par les - ions, de sorte qu'au moment du recuit effectué pour permettre la • recristallisation .de la région (fe.surface amorphe, les conditions sont particulièrement favorables pour que les ions dopants adop-10 tent des sites de remplacement dans le réseau cristallin. De préférence, la dose et l'énergie des ions non dopants sont telles que.la région de surface amorphe formée présente une étendue suffisante pour contenir entièrement les ions dopants implantés-1 15 D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre, donnant l'analyse servant de base à la présente invention ainsi qu'une description d'un exemple particulier du procédé mettant en oeuvre la présente invention, en regard des dessins an-20 .nexés qui- donnent des représentations graphiques de diverses caractéristiques de divers échantillons semiconducteurs dopésJ Sur la Fig. 25 se rapporte à du silicium dans lequel sont implantés des ions de 15 / 2 bore suivant une dose de 10 ions/ cm et une énergie de 40KeV. La courbe A montre qu'une très faible fraction des atomes implantés deviennent actifs du point de vue électrique à moins d'utiliser des températures de recuit très élevées ( de l'ordre de 1000°C) 30 Après un recuit de 630°C, sept pour cent seulement de la totalité des atomes implantés sont électriquement actifsj* Ceci diffère nettement des résultats qu'on obtient avec des implants de phosphore comparables où l'on obtient presque 100 pour cent d'activité après un traitement thermique semblable.11 35 On a mesuré des profils (c'est à dire des courbes repré- , , .suivant , , sentant les variation de densité/ la profondeur de pénétration dans la matière semiconductrice) du bore implanté électriquement actif, en fonction de la température de recuit,en combinant des mesures de résistivité pelliculaire avec une technique d'oxyda- 4O tion anodique et de séparation. En utilisant les données de mobi— 69 28892 - 3 - 2016207 lité publiées par Irvin dans le Bell System Technical Journal n° XL1, 387, (1962), on a obtenu les résultats représentés sur la Fig.' 2 où la concentration en ions donneurs par cm^ est tracée en fonction de la profondeur en 'unités angstrom.* les courbes 5 C, D et E, respectivement, sont les profils des ions bore implantés dans du silicium et recuits à 600°C, 800°C et lOOC^Cj1 La courbe .en piontillé F représente le profil prévu théoriquement suivant Lindhard et Scharff (Physics Review 124, 128 (1961))f Pour les températuresde recuit-les plus élevées, qui se 10 traduisent par une activité très accrue, il sè produit un élargissement important du profil par diffusion thermique (courbe E).' Pour cette raison, et également du fait que -la' durée de vie des porteurs est altérée dans la masse, des matières, de tels recuits à une température élevée sont indésirables.* De ce fait, on n'a ■les 15 pas obtenue en pratique avec des implants de bore/deux avantages possibles de l'implantation des ions, à savoir des profils nets et un traitement à basBe température.1 Qu'une impureté implantée prenne ou non-facilement un site de remplacement, est susceptible de dépendre d'une manière 20 complexe d'un certain nombre de facteurs tels que la masse et les dimensions de l'ion dopant, la structure du substrat et les effets des autres impuretés.'' On s'est rendu compte, cependant, que les défauts du réseau qui sont produits pendant l'implantation- sont susceptibles de jouer un rôle vital.1 -25 Les dégâts dus au rayonnement qui sont produits dans le silicium pendant les implantations effectuées près de la température ambiante, se présentent"sous la forme de petites zones extrêmement désordonnées d'un diamètre d'environ 100 unités angs- » trom.1-A mesure que -la dose croît, les zones peuvent finalement se 30 recouvrir et former une phase de surface continue essentiellement amorphe jusqu'à une profondeur approximativement égale à la portée des ions du bombardements Cette couche de surface amorphe peut être recristallisée d'une manière épitaxiale, sur la matrice monocristalline sous-jacente, par un recuit thermique à une température 35 de 630°C.i( Un petit nombre de boucles "de dislocation et de dipoles sont fornés au moment de la recristallisation, mais il ne semble qu'ils aient une influence sensible sur les caractéristiques électriques-/ A ces températures modérées, peu de diffusion thermique peut se produire et les profils implantés dervènt se rappro-40 cher de ceux prévus d'une manière théorique.? ' 69 2839 - 4 - 2016207 1 5 On a montré qu'une dose de 10 ions phosphore par p cm est plus que suffisante pour produire une couclie complètement amorphe sur le silicium, tandis qu'il faut une dose comprise ■1 r 1 rj p entre 10 et 10 ' ions bore par cm pour produire un effet sem- 5 blable avec la même énergie/ Ceci résulte de la masse plus faible pour lequel du bore, / d'abord la section droite de diffusion est quelque cinq fois plus faible, et secondement du fait qu'une fraction beaucoup plus importante de l'énergie des ions incidents est dissipée par excitation électronique au lieu de l1être par des col-10 lisions nucléaires avec les atomes de la cible/ On s'est rendu compte,par suite, que pour .les doses ha- 1 ^ 15 bituelles utilisées dans l'implantation des ions (10-10 ions p , par cm ), il existe de ce fait une différence fondamentale dans la structure des couches implantées de phosphore et de bore, res-15 pectivement/ Le phosphore se trouve presque entièrement à l'intérieur d'une couche de surface complètement amorphe. Les atomes de bore, au contraire, se trouvent,pour la plupart, dans un silicium de surface essentiellement cristallin et seule une faible proportion de ceux-ci se trouvent dans des zones désordonnées. 20 Au moment du recuit, on a prévu que, du fait que les zones ou couches amorphes doivent être arrangées à nouveau complètement, il existe une grande possibilité que les ions dopants se trouvant dans ces régions soient capables de prendre des sites de remplacement favorables/ Ceci est compatible avec les données 25 d'expérience du fait que pour le phosphore, lorsqu'il en résulte une activité électrique intense, toute la surface doit être reformée, tandis que pour le bore, seuls les atomes qui résident dans les zones désordonnées ont une bonne chance de devenir actifs/ On ne peut faire en sorte que le bore restant prenne des positions 30 de remplacement qu'en fournissant un excès de vides,par exemple par génération thermique/ Dans l'exemple particulier du procédé selon la présente invention qu'on va décrire maintenant, on obtient une activité électrique accrue des implants de bore en formant délibérément 35 une couche de surface complètement amorphe en bombardant le silicium avec des ions non dopants en plus de l'implantation du bore/ Les ions non dopants peuvent être constitués par un gaz inerte ou même par le silicium lui-même et ce bombardement peut être effectué soit avant soit après, l'implantation du bore/ L'u-40 tilisation d'ions de même élément que le substrat, c'est à dire 69 28892 - 5 - 2016207 dans ce cas l'utilisation d'ions silicium, pour le "bombardement par ions non dopants supplémentaires, est souhaitable, du fait qu'il n'y a alors aucune difficulté possible due à des effets d'impuretés introduits par les ions non dopants"? En pratique, 5 cependant, il peut être pluscommode de produire des ions de l'un des gaz inertes? Dans cet exemple, on a bombardé un substrat de silicium ic p avec une dose de 10 ^ions par cm de bore avec une énergie de 40KeV? Ce bombardement a été suivi par un bombardement avec des 16 2 10 ions néon suivant une dose de 10 ions par cm , à xme énergie de 80 KeV? La Fig. 3 représente les profils 'théoriques qu'on peut attendre de ces bombardements, la courbe G se rapportant au bore implanté et la courbe H au néon? La Fig. 3 indique que le bore implanté se trouve complètement à l1intérieur de la couche qui 15 est abîmée par les ions néon. On se rend compte que pour obtenir les meilleurs résultats, il faut choisir la dose et l'énergie du bombardement par les ions non dopants de telle sorte que les ions dopants se trouvent entièrement à l'intérieur de la couche amorphe, de cette manière.■• De plus, pour déterminer -un profil réglé avec 20 précision, il semblerait souhaitable que la profondeur des dégâts produits par les ions non dopants ne dépasse pas de beaucoup la profondeur de pénétration des ions dopants. La courbe B sur la Fig? 1 représente l'amélioration d'activité électrique obtenue avec le double bombardement selon 25 le procédé de l'invention, dans cet exemple? Pour un recuit de 630° C ( nécessaire pour recristalliser la couche amorphe ) , la résistivité pelliculaire est améliorée et est multipliée par un facteur d'environ 5 par rapport à la valeur obtenue avec l'implant ' de bore seul (courbe A)? 30 Le profil de l'activité électrique du dispositif semi conducteur produit par le procédé utilisé dans cet exemple, après un recuit de 85 minutes à 630° C,est représenté par la courbe I sur la Fig? 4. La courbe en pointillé J est la répartition prévue des ions de bore? Comme on peut le voir sur la Fig? 4, le profil obte-35 nu en pratique est très rapproché du profil prévu d'une manière théorique? L'a présente invention ne se limite pas aux détails de l'exemple précédent? Par exemple, le bombardement effectué avec des ions non dopants n'a pas besoin d'être nécessairement effectué 40 après l'implantation des ions dopants mais peut, par exemple, être 69 28892 - 6 - 2016207 effectué avant l'implantation de ceux-ci. Ce processus inverse pourrait être avantageux pour supprimer les queues du profil des ions dopants qui sont dues à la formation de canaux? Cette considération n'a pas d'importance dans l'exemple décrit plus haut, du fait que les substrats de silicium étaient orientés de façon à réduire la formation des canaux? De plus, dans certains cas, il peut être possible d'effectuer le "bombardement simultanément avec les ions dopants et avec les ions non dopants ? et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de Il va de soi que la présente invention n'a été décrite son cadre? Légende des Dessins Figures Repères 3 1 2 11 II U.C J_-JUUJJUXC ut; V-LUI!»/cm } 0 X Profondeur W S Concentration en donneur (ions/cm^) K Profondeur (A) II 4 n 69 28892 - 7 - 2016207 REVENDICATIONS 1. Procédé pour doper une région d'une matière semi-conductrice, caractérisé en ce qu'il consiste à bombarder la région,dans une mesure prédéterminée,avec des ions de la matière 5 de dopage, et de plus à bombarder la région avec des ions non dopants, le bombardement étant accompagné ou suivi par un chauffage afin de recuire la-région. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la dose et l'énergie des ions non dopants sont choisies 10 de telle sorte qu'en combinaison avec le bombardement effectué avec les ions dopants,/agissent, en l'absence de tout recuit, de façon à former une phase à peu près complètement amorphe dans la région de la surface du semiconducteur qui est pénétrée par les ions."1 15 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la dose et l'énergie des ions non dopants sont telles que la région de surface amorphe formée présente une étendue suffisante pour contenir entièrement les ions dopants qui. sont implantés.1 20 4? Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière semiconductrice est du silicium? 5.1 Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les ions dopants sont des ions de bore? 25 6. Matière semiconductrice caractérisée en ce qu'elle comporte une région dopée formée par le procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes? #