Brevet FR2045912A1 — publié le 19710305

La présente invention concerne une méthode améliorée de formation de structures de semi-conducteurs planaires par diffusion d'impuretés déterminant la conductivité dans la surface de pastilles de semi-conducteur à travers des ouvertures réalisées dans un masque d'un matériau isolant. 5 La miniaturisation toujours croissante des structures de semi-conducteur, telles que les dispositifs ou circuits intégrés, fournit la base des progrès principaux dans l'art de la micro-électronique. Une telle miniaturisation a pour but d'obtenir des prix de revient de fabrication plus bas, une densité de composant plus grande et une fiabilité de composant augmentée. La technique de 10 fabrication planaire est la plus communément utilisée actuellement. Elle comprend une.série des formations successives de masques isolants sur la surface d'une pastille de semi-conducteur et des diffusions d'impuretés à travers les dits masques. La pastille est alors coupée en bloc contenant soit les dispositifs discrets, soit des circuits intégrés. La tendance est dans le sens 15 de la miniaturisation de dispositifs élémentaires ou d'éléments de circuit sur des blocs plus grands comportant des circuits intégrés de densité de circuit élevée . En outre, afin d'abaisser le coût de la production et de recevoir commodément des blocs plus grands, les diamètres des pastilles ont été en augmentant. Dans un futur immédiat il est prévu d'employer communément 20 de manière pratique des pastilles ayant des diamètres de 51 à 76,2 mm plus grands par rapport aux dimensions de pastilles de l'ordre de 25,4 à 38,1 mm qui sont actuellement utilisées. Avec la densité croissante des éléments de circuit et des dispositifs par pastille, le problème des défauts cristallographiques, tels que les dislo-25 cations dûes à des tensions est devenu de plus en plus important. Le problème des défauts cristallographiques était connu dans le passé. Ces défauts apparaissent comme étant à l'origine des dislocations dans les cristaux causées par les tensions résultantes dues au chauffage de la pastille et à la manipulation mécanique de la pastille pendant la fabrication. Cependant, quand 30 les blocs qui doivent être formés à partir de la pastille contiennent, soit des dispositifs discrets, soit des circuits intégrés simples avec relativement peu de dispositifs et d'éléments de circuit, il n'est pas critique que le problème de dislocation soit surveillé. Ceci à cause du fait que si les dislocations dans certaines surfaces de la pastille rendent quelques uns des 35 blocs inutilisables, il y a encore un nombre'suffisant de blocsnon affectés propres à être utilisés dans des surfaces sans dislocation et la perte résultant en quantité, quoi qu'importante ne devient pas critique. Cependant, avec des circuits intégrés, de densité croissante formés à partir de pastilles divisées ensuite en blocs individuels ayant des centaines de composants, le problème 40 devient plus important et chaque fois qu'un défaut cristarllographique rend' un 06057 2 2045912 bloc non utilisable, un circuit intégré complexe avec des centaines d'éléments sera de ce fait rendu inutilisable. De plus, dans des pastilles ayant des diamètres dépassant 51 mm, les défauts cristallographiques deviennent plus prononcés et plus nombreux.. 5 En conséquence, l'objet principal de la présente invention est de fournir une méthode de fabrication de structures de semi-conducteur planes dans lesquelles les défauts cristallographiques sont minimisés. Un autre objet de cette invention est de fournir une méthode pour minimiser des défauts cristallographiques dans des structures de semi-conducteur 10 intégrées mobolithiques. Un autre objet de cette invention est de fournir une méthode pour minimiser des défauts cristallographiques dans des structures de semi-conducteur planes résultant des étapes de fabrication comprenant l'oxydation et la diffusion.à des températures dépassant 1100°C. 15 Un autre objet de cette invention est de fournir un support pour des pas tilles de semi-conducteur utilisé dans des étapes de fabrication à haute température pour minimiser les défauts cristallographiques résultant de ces étapes. On a déterminé que la cause principale des défauts cristallographiques, 20 telle que la dislocation, dans les pastilles est l'application de hautes températures dépassant souvent 1100°C, durant plusieurs heures, pendant les étapes d'oxydation de surface et les étapes de diffusion au cours de la fabrication d'une structure dB'semi-condufcteur plane conventionnelle. Pendant de telles étapes de diffusion et d'oxydation un procédé classique consiste à 25 monter les pastilles dans un support dans lequel les pastilles reposent verticalement, espacées l'une par rapport à l'autre dans une file. Le support de pastille est fait d'un matériau réfractaire tel que 'le quartz. Le support contenant les pastilles est placé dans une chambre de réaction classique c'est-à-dire un tube fermé ou un tube ouvert, et la chambre entière est in-30 traduite dans un four. On a trouvé qu'avec des pastilles montées suivant cette manière classique, il n'est pas possible de maintenir une distribution de température régulière ou linéaire à travers toute la surface de la pastille, particulièrement pendant le refroidissement des pastilles chauffées à plus de 1100aC -, des 35 gradients de température irréguliers ou non linéaires apparaissent dans la surface de la pastille. Par exemple, pendant le refroidissement les parties de la pastille en contact avec le support refroidissent plus lentement les autres parties de la pastille, et le centre de la pastille semble également refroidir à un rythme inférieur à celui du pourtour exposé de la pastille. Les dila-40 tations et contractions irrégulières dans les différentes parties de la pastille Ô6057 3 2045912 produites par le gradient de température irrégulier se traduisent par des tensions qui provoquent des défauts cristallographiques. On a pu éliminer substantiellement de tels défauts cristallographiques en maintenant la pastille pendant les étapes d'oxydation et de diffusion à 5 de telles températures élevées, dans une position pour laquelle au moins une surface entière de la pastille est à moins de 6,4 mm d'un substrat ayant une capacité calorifique au moins dix fois plus grande que ceiis de la pastille. La capacité calorifique est définie comme étant la masse du substrat multipliée par la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un 1Q gramme de substrat de un degré. Le substrat provoque une distribution de température linéaire à travers toute la surface de la pastille, particulièrement pendant le refroidissement, éliminant ainsi les tensions thermiques qui provoquent tes défauts cristallographiques. La surface de la pastille peut être espacée du substrat ou en contact avec le substrat. Quand la surface est 15 en contact avec le substrat, il n'est pas souhaitable d'avoir seulement une partie de la surface en contact avec ce dernier. En conséquence, la surface entière affleure de préférence le substrat, ou encore la pastille est montée de telle sorte que seule sa périphérie touche le substrat. Dans le cas où seulement une partie de la surface à pastille touche le substrat, un 20 gradient de température irrégulier peut être créé qui produit des défauts cristallographiques dans la région de pastille en contact avec le substrat. Un dispositif est fourni pour supporter la pastille dans la position décrite ci-dessus. Dans ce dispositif une série de pastilles est supportée, espacées l'une par rapport à l'autre par une série de parois dans les espaces 25 entre les pastilles. Les parois qui ont une capacité calorifique au moins dix fois plus grande que celle des pastilles ont la mime fonction que les substrats décrits ci-dessus, les pastilles étant montées de telle sorte qu'une surface entière de chaque pastille soit à moins de 6,4 mm d'une paroi. Les pastilles peuvent être placées verticalement, auquel cas le support a 30 une structure en forme de peigne. D'autres objets et avantages de la présente invention rassortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexés à ce texte qui représentent un mode de réalisation préférée de celle-ci. La figure 1A est un croquis schématique d'une structure classique 35 supportant des pastilles verticalement. La figure 1B est un croquis schématique d'une section d'une structure rudimentaire supportant des pastilles qui peut être utilisée dans le procédé de la présente invention. La figure 2 est un croquis schématique d'un fragment d'une réalisation 40 du dispositif supportant les pastilles. ' ' 06057 4 2045Ô12 La figure 3 est une vue en coupe transversale schématique et partielle d'une variante de la réalisation de la structure supportant les pastilles. La figure 4 est une vue schématique partielle d'une autre réalisation d'une structure supportant les pastilles de la présente invention. 5 La figure 5A est une vue au rayon X d'une pastille oxydée lorsqu'elle est montée dans le dispositif classique de la figure 1A. La figure 5B est une vue au rayon X d'une pastille oxydée lorsqu'elle est montée selon le dispositif de la figure 1B. La figure 5C est une vue au rayon X d'une pastille après diffusion lorsqu'el--jQ le est montée suivant le dispositif de la figure 1A. La figure 5D est une vue au rayon X d'une pastille après diffusion lorsqu'elle est montée selon le dispositif de la figure 1B. Afin d'illustrer les principes de la présente invention, la comparaison suivante est faite : -J5 un groupe de pastilles de silicium de 57,2 mm de diamètre de conductivité de type P, ayant de préférence uns résistivité d'environ 15 ohm/cm et une orientation selon le plan sont montées dans un support classique ou nacelle de quartz, figure 1A, dans laquelle les pastilles 10 reposent verticalement dans une nacelle 11 selon une file ou une rangée. Un autre groupe de 2Q pastilles identiques 10, figure 1B repose sur une plaque de quartz relativement épaisse 12, dans laquelle les pastilles couvrent une partie de la plaque ayant une capacité calorifique au moins dix fois plus grande que celle de la pastille la capacité calorifique est égale à la masse de substrat recouverte multipliée par la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1- gramme 25 de substrat de un degré. Ensuite les deux pastilles montées suivant la disposition des figures 1A et 1B sont traitées pour faire croître des oxydes thermiques sur la surface dés pastilles suivant la procédé classique en plaçant chacun des deux groupes de pastilles dans des enceintes de quartz aux extrémités ouvertes et en maintenant chacune des enceintes à une température 30 de 1200°C, pendant que les pastilles sont exposées au gaz pendant les cycles de temps suivant. 5 minutes d'oxygènes et 10 minutes ds vapeur d'eau- Une couche de SiD^ est formée sur la surface de chacune des pastilles. A la fin de 1'oxydation, les pastilles montées sont enlevées de la capsule et 35 refroidies à la température ambiante. Si la pastilla doit être traitée par la suite, il n'est pas nécessaire de la refroidir à la température ambiante. Un refroidissement inférieur à 350°C sera suffisant» ~ Deux échantillons représentatifs d'une pastille supportée suivant la manière classique, montrée' à la figure 1A, et d'une pastille reposant sur un substrat 40 de capacité calorifique montrés à la figure TB sont sélectionnés. Ensuite, 06057 5 2045912 en utilisant la technique d'oscillateur de balayage (SOT) développée par G.H. Schwuttke et décrite dans le "Journal of Applied Physics, vol. 36, N° 9 pp 2712-2721, septembre 1965J' des photo-micrographies des vues au rayon X d'une surface sur chacune des deux pastilles sont préparées. La vue de la pastille 5 préparée en utilisant le support de la figure 1A est montrée à la figure 5A, et la vue de la pastille reposant sur le substrat de la figure 1B est montrée à la figure 5B. Une comparaison des deux vues montre nettement une réduction marquée dans les dislocations cristallographiques de la pastille de la figure 5B. Ces dislocations apparaissent sous forme de stries irrégulières sur la 10 vue. Ensuite, deux pastilles de 57,2 mm de diamètre identiques à celles décrites ci-dessus sont sélectionnées. Une des pastilles est alors montée dans le dispositif de la figure 1A et l'autre sur un substrat tel que celui représenté à la figure 1B. Puis, une diffusion de bore dans un tube fermé est réalisée dans les deux surfaces de silicium exposées de chacune des deux pastilles en 15 enfermant chacune des pastilles supportées dans une capsule de quartz fermée contenant une source de bore et en maintenant chacune des capsules à 1200°C pendant une période de 95 minutes. A cette température, la source de 20 bore donne aux pastilles une concentration de surface C de 5 x 10 atomes 3 o par cm . Les pastilles montées sont alors enlevées de la capsule et peuvent 20 être refroidies à la température ambiante. Ensuite en utilisant la technique d'oscillateur de balayage décrite antérieurement, des vues sont obtenues pour chacune des pastilles. La pastille qui a subi la diffusion alors qu'elle était montée sur le dispositif de la figure 1A présente la vue montrée à la figure 5C et la pastille qui a subi la diffusion alors qu'elle était montée sur le 25 substrat montré à la figure 1B présente la vue montrée à la figure 50. Une comparaison de ces deux vues montre que la pastille de la figure 5D a des dislocations cristallographiques minimales comparées à la pastille de la figure 5C. Le procédé ci-dessus n'a pour seul but que d'être représentatif de l'effica-30 cité de la méthode de la présente invention dans la minimisation des défauts cristallographiques pendant les étapes classiques à haute température de diffusion et/ou d'oxydation à des températures dépassant 1100°C. On a trouvé que les résultats sont substantiellement les mêmes que ceux qui ressortent de n'importe lesquelles des étapes classiques de diffusion, telles que les 35 diffusions collecteur, base, émetteur, et isolement utilisées dans la fabrication de circuits intégrés planaires, ou dans n'importe quelle étape d'oxydation ou de réoxydation en cours de fabrication quand de telles étapes sont réalisées à de hautes températures supérieures à 11Q0&C. Alors que le substrat dans la figure 1B représente une réalisation de base 40 de la présente invention pour beaucoup d'utilisations commerciales, des moyens 06057 6 2045912 de support de pastille recevant un grand nombre de pastilles dans un minimum d'espace sont souhaitables. Les structures des figures 2,3 et 4 représentent des réalisations de tels supports de pastille conformément à la présente invention. Dans la structure de support représentée dans la figure 2, les pastilles 10 sont placées verticalement, chaque pastille étant retenue dans une paire de rainures 13 opposées en forme de V formées dans la partie constituant la base d'une nacelle de quartz 14. La paire de rainures maintient la pastille en quatre points sur la périphérie de la pastille les parois de chaque rainure étant en contact avec la pastille en un seul point de la périphérie de surface supérieure et un point de la périphérie de surface inférieure. Des parois latérales ou ailettes espacées 15 séparent les pastilles et sont positionnées de telle sorte qu'au moins une surface entière de chaque pastille soit à moins de 6,4 mm d'une paroi latérale. Les parois ont une capacité calorifique telle que la partie de la paroi tombant avec la projection de la périphérie de la surface de la pastille la plus proche a une capacité calorifique au moins 10 fois plus grande que celle de la pastille. La distance donnée entre la surface de la pastille la plus proche et la paroi latérale est une distance maximum pour laquelle un gradient de température linéaire peut être maintenu à travers la pastille. Afin d'obtenir une efficacité maximum et un rythme de productivité maximum, il est souhaitable d'avoir les parois ou ailettes aussi proches des pastilles que le permettront un déchargement et un chargement faciles des pastilles de la nacelle. A ce sujet, la figure 3 représente une autre réalisation de la structure supportant la pastille. Des parois espacées 16 s'élèvent de la base de la nacelle de quartz 17 peur former une structure en forme de peigne. Les pastil-' les au lieu d'être encastrées sont simplement déposées entre les parois 16, et, ainsi, se trouvent avoir trois points de leur périphérie touchant le support, à savoir les points 15, 19 et 20. Les distances maximum préalablement décrites séparant les surfaces entières de la pastille des parois aussi bien que la apacité calorifique de la paroi latérale s'appliquent encore pour cette structure. Une autre réalisation de la structure supportant les pastilles de la présente invention, est montrée à la figure 4. Dans cette structure les parois 21 sont disposées obliquement de telle sorte que les pastilles 10 soient maintenues de manière à effleurer les parois, chaque pastille étant maintenue aux points périphériques 22 et 23 respectivement par les côtés de la base du support 24 et 25. Les parois ont la capacité calorifique citée antérieurement . Tandis que le quartz a été utilisé pour les substrats et les parois dans les réalisations illustratives de la présente invention, n'importe quel matériau 06057 7 2045912 réfractaire qui peut supporter une température supérieure à 1100QC et ne réagit pas avec les pastilles à de telles températures peut être utilisé s'il est possible d'en faire des parois de substrat ayant la capacité calorifique requise au moins dix fois supérieure à celle de la pastille. D'autres 5 matériaux réfractaires ayant les propriétés requises sont le silicium, le carbure de silicium et le carbone. Bien que le procédé de la présente invention minimise des défauts cristallographiques dans des pastilles chauffées et/ou diffusées à des températures dépassant 1100°C notre procédé obtient des résultat bien plus re-10 marquables pour des pastilles traitées à plus de 1150°C et particulièrement à plus de 1200°C. C'est à ces très hautes températures que les pastilles traitées suivant le procédé conventionnel montrent des défauts cristallographiques trop prononcés. D'un autre côté les pastilles traitées à de très hautes températures, conformément à la présente invention, affichent encore 15 des défauts cristallographiques minimes. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de la présente invention, appliquées à un mode de réalisation préférée de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge 20 utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 0605? 8 2045912 REVENDICATIONS 1- Support pour uns pluralité de tranches semi-conductrices du genre radiateur thermique, pendant une suite d'étapes de fabrication inclinant notamment des étapes de diffusion et/ou des étapes d'oxydation caractérisé en ce que : - au moins une partie du support possède une surface supérieure à la sur-5 face de ladite tranche, ladite partie se trouvant placée au voisinage et pratiquement parallèle à celle-ci» - le support posséda une capacité calorifique d'au moins dix fois supérieure à la capacité calorifique de la tranche semi-conductrice. 2. Support selon la revendication 1 dans lequel la distance comprise entre 10 ladite partie du support et ladite tranche n'excède pas 6,4 mm. 3. Support selon la revendication 1 dans lequel ladite tranche est posée à plat sur ladite partie du support. 4. Support selon la revendication 2 dans lequel ladite tranche se trouve 15 pratiquement parallèle à ladite partie et sans contact avec elle. 5. Support selon la revendication 2 dans lequel seule la périphérie de la tranche se trouve en contact avec au moins ladite partie. 6= Support selon la revendication 1 dsns lequel le support est fait à partir 20 de -quértz »