Brevet FR2037280A1 — publié le 19701231

i 2037280 L'invention concerne un dispositif semi-conducteur ayant une caractéristique électrique améliorée et nrayant qu'un très bas niveau de bruit ; elle concerne également un procédé pour la fabrication d'un tel dispositif semi-conducteur perfec-5 tionné. Il est connu que la caractéristique de bruit d'un dispositif semi-conducteur actif, tel qu'un transistor, présente un haut niveau de bruit qui est inversement proportionnel à la fréquence dans la bande des basses fréquences j ce bruit est habi-10 tuellement dénommé "bruit 1/f". Bien qu'à notre époque ce bruit 1/f ait été remarquablement réduit par les progrès accomplis dans les techniques de traitement des semi-conducteurs, sa cause n'est pas encore élucidée. Par conséquent, pour lutter efficacement contre ce bruit et le réduire encore, on ne dispose pas de moyens 15 bien dirigés. Ainsi, par exemple, on considérait dans le passé que le bruit î/f dépend de l'état d'un substrat juste au-dessous d'une pellicule isolante (habituellement en SiC^) ? par exemple, un accroissement du courant de fuite à la jonction superficielle émetteur-base (comme dans la structure d'un transistor)t provoqué 20 par suite de l'introduction d'une contrainte thermique quand la pellicule d'oxyde est formée sur une portion superficielle d'un substrat, en silicium par une méthode d'oxydation thermique.ou quand des imperfections cristallines sont formées à une portion d'interface entre le substrat et la pellicule d'oxyde, est consi-25 déré comme constituant une cause de ce bruit. On prend donc généralement des contre-mesures permettant de rester maître avec précision d'une telle opération de chauffage à une haute température (opération d'oxydation thermique ou opération de diffusion, par exemple) au cours de la fabrication d'un transistor afin de 30 diminuer la contrainte thermique introduite au cours d'une telle opération, ou permettant d'éliminer, par attaque après 1'opération de diffusion, une couche perturbée par une telle contrainte thermique. Mais, tous ces modes opératoires ont des inconvénients : ils sont compliqués et manquent de reproductibilité. De plus, 35 quelquefois, certains produits présentent un niveau de bruit relativement élevé même quand on a mis en oeivre de telles méthodes ; le bruit alors ne peut pas être attribué aux causes sus-mentionnées. Les modes opératoires sus—spécifiés ne constituent donc pas des moyens universels pour réduire le bruit. 40 Au cours de recherches ayant abouti à la mise au point 70 11131 2 2037280 de l'invention, le dépouillement de nombreux résultats expérimentaux sur des contre-mesures visant à réduire le bruit a clairement révélé que le bruit 1/f prend son origine dans des imperfections cristallines au niveau de la région émettrice d'un tran-5 sistor, et on a pu abaisser considérablement le niveau de bruit en mettant au point un procédé de fabrication permettant d'éliminer ces imperfections dans des cristaux. Un but de l'invention est de réaliser un dispositif semi-conducteur ne subissant qu'un très bas niveau de bruit, plus lO spécialement un bas niveau de bruit 1/f. Un autre but de l'invention est d'établir un procédé pour la fabrication de tels dispositifs semi—conducteurs à bas rïiveau de bruit, et cela avec facilité et une bonne reproducti-bilité. - 15 Selon l'invention, la densité de dislocations n'est pas 5 —2 . . , supérieure à lO cm en se basant sur le fait que la densite de dislocations à une surface d'une région émettrice d'un dispositif semi-conducteur ayant la structure d'un transistor affecte considérablement la caractéristique de bruit. , 20 Lors de la mise en oeuvre de l'invention, on a prêté attention à la relation entre les défauts du réseau cristallin (imperfections dans les cristaux) au niveau des régions émettrices et la caractéristique de bruit dans la bande de basses fréquences d'un transistor et on a observé en détail leur relation mutuelle 25 pour un large intervalle de concentrations d'impuretés émettrices "18 21 3 tel que celui s'étendant entre 5 x 10 et 3 x 10 atomes/cm , et il est apparu alors clairement les faits- remarquables suivants : 1) Celles qui ont un faible bruit 1/f comportent des dislocations peu nombreuses, et à peu près toutes ont une densité v 5 «,2 30 de dislocations inférieure à lO cm" . 2) Inversement, celles qui ont un haut niveau de bruit 1/f comportent de nombreuses dislocations, et on observe -un grand S H -2 nombre de dislocations tel que compris entre lO et 10 cm" au niveau de la région émettrice et de la jonction émettrice. 35 3) ii existe une corrélation entre la densité d'impu retés de la région émettrice et le bruit 1/f et on observe une tendance : une région qui a une telle haute densité a aussi un haut niveau de bruit (par exemple, le bruit s'exprime par un nombre élevé). ' 40 En analysant ces résultats, on parvient aux conclusions 70 11131 3 2037280 suivantes : -■ 1) Pour donner au bruit 1/f une valeur inférieure à un niveau prédéterminé prescrit pour un transistor, la- densité de dislocations d'une région émettrice doit être rendue plus faible 5 -2 5 que 10 cm 2) La concentration d'impuretés d'une région émettrice doit être nécessairement réglée à une valeur comprise au moins 19 20 3 entre 1 x 10 et 5 x 10 atomes/cm dans -des conditions d'un procédé de diffusion habituel. 10 3) Pour abaisser la densité de dislocations de la ré gion ■ émettrice, il est efficace d'introduire une matière à charge neutre' pour compenser, des imperfections cristallines provoquées par l'introduction d'une haute densité d'une impureté (ci-après dénommée impureté fournissant les charges). ... 15 Toutefois, dans un dispositif.classique, tel par exemple qu'un transistor au silicium, npn établi dans, un plan, on se sert de phosphore comme impureté diffusée pour réaliser une région émettrice à une température de diffusion, de 900 à 12Q0°C, et, dans ces conditions, du phosphore se trouve introduit dans le 20 silicium jusqu'à une haute concentration de, p.ar exemple, environ 21 3 2 x 10 atomes/cm . Il est donc inévitable que de. nombreuses dislocations et contraintes soient introduites dans la région émettrice. Plus spécialement, en raison du fait expérimental que, lorsque du phosphore est diffusé jusqu'à une haute concentration 20 3 25 telle que plus de 5 x 10 atomes/cm , la densité de dislocations ô 2 devient supérieure à 10 cm- , il est clair que de nombreuses dislocations sont produites dans de tels dispositifs ayant une haute concentration d'impureté par comparaison avec un dispositif classique. 30 L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que du dessin ci-annexé, lesquels complément et dessin concernent différents modes de réalisation,de l'invention choisis à titre d'exemples non limitatifs et sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indi-35 cation. La figure l,de ce dessin, représente en.coupe un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 2, enfin, est un diagramme caractéristique montrant un exemple des caractéristiques de bruit, d'un dispositif 40 selon un mode de réalisation de 1'invention par comparaison avec 70 11131 4 2037280 un exemple des caractéristiques de bruit d'un dispositif classique de la même espèce. On a porté en ordonnées la valeur du bruit à 100Hz en décibels, et en abscisses l'inverse du gain en intensité de courant (l/hFE). 5 Ci-après sont décrits différents exemples, bien entendu non limitatifs, de mise en oeuvre de l'invention. Exemple 1. - Tout d'abord, comme le montre la figure 1, une pellicule 2 d'oxyde de silicium de 0,6 ja d'épaisseur est formée sur un substrat 1 en silicium de type n par la méthode d'oxydation thermique, une fenêtre pour la diffusion de la région de base est ouverte .dans.la pellicule 2 d'oxyde selon une forme désirée par la technique connue de photo-attaque, du.bore est déposé à partir de, par exemple, bromure de bore (BBr^) dans cette portion comme source de diffusion, ensuite une. région de 15 base 3 est formée jusqu'à une profondeur de 3,5 p par le. procédé de diffusion à haute température. Lors de la formation de cette région de base 3, on règle la.concentration.d'impureté à la sur- 18 3 face à environ 5 x 10 atomes/cm en introduisant l'impureté dans le substrat à partir de la source de diffusion dans des 20 conditions prédéterminées du procédé de diffusion. Ensuite, une région émettrice 4.ayant du phosphore comme impureté est formée dans un intervalle de profondeur de 1,0 à 3,0 p dans cette région de base 3. Lors de la formation de cette région émettrice 4, le phosphore servant de source d'impureté est. fourni à partir d'un 25 mélange de Si02 et p205 comPorte du phosphore sous la forme d'oxyde le rapport de P2^5 C^ans le mélange étant choisi égal à environ 30 % en poids. L'opération de diffusion est conduite à une température prédéterminée de* par exemple 1050°C, après quoi on refroidit à partir de la température de diffusion 30 jusqu'à 800°C à une lente allure de.refroidissement d'environ l°C/minute afin d'empêcher la formation de dislocations, La densité de dislocations dans la région émettrice de.ce dispositif 5—2 est inférieure à 10 cm et est déterminée par des observations au microscope électronique de la densité de dislocations dans des 35 échantillons choisis à partir d'une région de surveillance ou de contrôle établie sur le même substrat ou à partir de nombreux - éléments simples établis sur le même substrat. En outre, comme le montre la figure 1, une électrode 5 de base et une électrode 6 d'émetteur sont formées par des moyens ordinaires. 40 La figure 2 illustre une relation entre le gain en in 70 11131 5 2037280 tensité de courant (hFE) et le bruit du transistor par .comparaison avec la relation correspondante observable sur. un dispositif classique de la même espèce, la caractéristique étant mesurée a une fréquence de 100 Hz, à une tension au collecteur VCB de S volts, 5 à une intensité de courant à l'émetteur de GSZ milliampère et à la température ambiante ordinaire (environ 20°C).. Sur cette figure 2, une courbe A montre la caractéristique du dispositif classique et une courbe B montre celle du dispositif réalisé de la manière décrite dans le présent exemple 1. De 1!examen de ces 10 courbes, il ressort clairement que le niveau de bruit du dispositif selon l'invention à ÎOO Hz est favorable puisque.la valeur en est inférieure à 4 dB ; sa reproductibilité est bonne elle aussi. Exemple 2. - Un substrat 1 en silicium de type n est thermiquement oxydé pour former une pellicule 2 en SiO^ de 0,6 p 15 sur la surface du substrat, ensuite on ouvre dans cette pellicule de SiOg une fenêtre de la forme désirée pour former par diffusion une région de base. On forme ensuite sur le substrat une pellicule de mélange SiOg - ï^O^ par décomposition thermique d'un mélange de vapeurs de silicate d'éthyle et de borate de triméthyle. En se 20 servant de cette pellicule comme source .de diffusion d'impureté, une région de base 3 est formée par diffusion de bore jusqu'à une profondeur de 3,5 p ; on conduit cette opération de diffusion' dans une atmosphère d'azote et- à une température de, par exemple, 1200°C. La concentration d'impureté de la région de base doit 25 être nécessairement limitée à une valeur comprise dans l'inter- 17 ig 3 valle de 5 x lO à 1 x lO atomes'/cm , et, par conséquent, la quantité de B^O^ dans ladite pelliculecfe mélange SiO^ - BgOg doit être réglée à un rapport en pbids compris entre Oyl et 5 % ; dans le présent exemple, eh réglant cette valeur à 0,3 %, la concentra-30 tion d'impureté à-la surface de la région de base s'établit à AQ * 3 , , 5 x 10 atonies/cm . Ensuite, une région émettrice 4 diffusée est formée dans cette région de base jusqu'à une profondeur de 1 à 3 p par la méthode habituelle consistant à former une pellicule d'un mélange de SiO£ et comme source d'impureté sur le subs- 35 trat par décomposition thermique d'un mélange de vapeurs de silicate d'éthyle et de phosphate de triméthyle à la surface, du substrat chauffé jusqu'à environ 400°C, et à fournir du phosphore comme impureté à partir de cette pellicule. En réglant la quantité de P2°5 ^ans ladite pellicule à une- concentration en, poids de 1 à 40 30 % lors de cette opération, la concentration d'impureté dans la 70 11131 6 2037280 région émettrice peut etre abaissée jusqu'à une valeur aussi 19 20 3 , faible que de 1 x 10 à 5 x 10 atomes/cm . Dans le present exemple, on procède a des essais concernant la quantité de ^2^5 : avec 5 % et 15 %, on obtient des dispositifs semi-conducteurs 5 dont la région émettrice contient des concentrations d'impureté 1*9 " 20 3 respectivement égales à 5 x 10 et .4 x 10 atomes/cm , et on réalise ainsi des dispositifs du type représenté figure 1. Les deux dispositifs ainsi réalisés dans le présent exemple ont de très bas niveaux de bruit, représentés par les courbes C et D de 10 la figure 2. Pour l'établissement de ces courbes, les conditions de mesure sont les mêmes que celles spécifiées dans l'exemple 1. Exemple 3. - Après avoir formé une région de base 3 drun type prédéterminé dans un substrat 1 en silicium de type n, on forme une région émettrice 4 par diffusion d'impureté dans ce 15 substrat comme suit. D'abord, on prépare de la manière suivante un gaz doté de réactivité : de l'azote (Ng) servant de gaz transporteur est admis à passer à un débit d'un litre à la minute sur une.solution de silicate d'éthyle maintenue à une température de 70&C,.de l'azote est admis à passer à un débit d'un litre à la 20 minute sur une solution de phosphate de triméthyle maintenue à une température de 80aC, et de l'azote est admis à passer à un débit d'un litre à la minute sur une solution de tétra-n-butyl-étain maintenue à 90°C, après quoi on mélange les trois courants gazeux et on y incorpore de l'oxygène gazeux à un débit de deux 25 litres/minute. Ensuite, ledit gaz doté de réactivité est mis en contact avec la surface dudit substrat ayant été chauffé jusqu'à 400°C pour y déposer une pellicule 4 avec une profondeur de diffusion de 3,3 u, une concentration 2o 3 35 superficielle de phosphore de 7 x 10 atomes/cm et une concen- 19 3 tration superficielle d'étain de 5. x lO atomes/cm . On examine le nombre de dislocations dans cette région émettrice 4, mais on n'en observe pas et ensuite on ne peut pas en introduire. Par contre, quand on met en oèuvre le même mode opératoire avec une 40 pellicule SiO^ - ne contenant que du phosphore, alors on . 70 11131 2037280 8 —2 observe un nombre de dislocations égal à environ 10 cm" Dans un transistor de type npn pour faibles signaux ayant la structure représentée figure 1 formée par mise en oeuvre du mode opératoire décrit ci-dessus, le courant dè fuite et le 5 niveau de bruit à la fréquence minimum sont abaissés respectivement jusqu'à environ 1/5 et 1/3 par comparaison à leurs valeurs dans un dispositif classique. Dans l'exemple ci-dessus, on peut régler la composition du gaz doté de réactivité en agençant en série un récipient 10 contenant une solution de silicate d'éthyle maintenue à environ 70°C, un récipient contenant une solution de phosphate de triméthyle maintenue à environ 80°C et un récipient contenant une solution de tétra-n-butyl-étain maintenue à environ 90°C et en faisant passer un gaz transporteur sur chacune de ces solutions 15 successivement et obtenir ainsi sensiblement le même gaz ayant une composition réglée ; il est facile industriellement de rester bien maître de la composition du gaz transporteur en opérant de cette manière. En outré, quand on se sert de silicium comme substrat semi-conducteur, on peut obtenir les mêmes résul-20 tats avantageux en utilisant du germanium à la place de l'étain sus-spécifié. Ainsi que le montrent clairement les exemples ci-dessus, le dispositif faisant l'objet de l'invention permet d'abaisser considérablement le bruit en basse fréquence qui était considéré 25 dans le passé comme étant le problème le plus difficile posé en matière de caractéristiques des transistors ; l'invention est en outre d'un grand intérêt car il est facile de la mettre en oeivre sans compliquer les techniques de fabrication. Le dispositif réalisable selon l'invention n'est pas limité aux transistors 30 décrits çi-dessus à titre d'exemples : il est applicable en principe à des diodes, des thyristors, des éléments de circuits intégrés, y compris des transistors, et à un dispositif semiconducteur sensible à la pression et possédant la structure d'un transistor. Effectivement, si une région d'une diode ou d'un 35 thyristor est formée par mise en oeuvre du mode opératoire sus- spécifié de formation d'une région émettrice, la région obtenue ne comporte que peu de dislocations, et on obtient un dispositif ayant un faible niveau de courant de fuite. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà 40 de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués j elle en embrasse, au contraire t toutes les vaxiantes0 70 11131 8 . 7037 REVENDICATIONS 1. Dispositif semi-conducteur à bas niveau de bruit et constitué par un substrat en silicium comportant une région émettrice, une région de base et une région collectrice pour fonc- 5 tionner en tant que transistor, lequel dispositif est caractérisé en ce que la densité de dislocations dans ladite région émettrice "5 _2 n*est pas supérieure à environ 10 cm . 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration d'impureté dans la région émettrice est * 20 10 établie à une valeur comprise entre environ 1 x 10 et 5 x 10 atomes/cm^. - . . . , 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région émettrice comporte une impureté du type donneur et une matière neutre pour établir la densité de dislocations à une 5—2 15 valeur n'excédant pas environ 10 cm . ■' 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la matière neutre est choisie parmi le groupe constitué par Sn, Pb et Ge, et la concentration d'impureté introduite dans la région émettrice est située dans un intervalle compris entre 19 20 3 20 environ 1 x 10 et 5 x 10 atomes/cm . 5. Procédé pour la fabrication du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à placer un mélange de Si02 et d'une impureté du type donneur sur la surface d'une massé semi-conductrice où une région émettrice 25 est formée afin de faire diffuser l'impureté jusque dans la masse semi-conductrice, la concentration de l'impureté du type donneur dans Si02 étant de 1 à 30 % en poids. 6. Procédé pour la fabrication du dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement: 30 à mélanger une impureté du type donneur et une matière comportant un élément neutre, et à incorporer le mélange à Si02 ; à placer le mélange résultant sur "une portion prédéterminée de la surface d'une masse semi-conductrice où il s'agit de constituer par diffusion une région émettrice ; et à faire diffuser simultanément 35 l'impureté du type donneur et la matière neutre jusque dans la masse semi-conductrice de façon à y établir une densité de dislo— 5 -2 cations n'excédant pas lO cm .