Brevet FR2022057A1 — publié le 19700724

2022Ô57 La présente invention est relative à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs et se rapporte plus particulièrement à un procédé de fabrication de dispositifs semi-conducteurs de puissance de grande superficie dans une zone de résistivité commandée ra-5 dialement et qui peut être entourée ou non par des anneaux d'isolation. Jusqu'à maintenant, il a été nécessaire pour fabriquer un dispositif semi-conducteur de puissance de commencer avec une tranche de silicium de haute résistivité et de diffuser ultérieurement 10 un anneau isolant. Selon une variante, les anneaux d?isolation peuvent être supprimés dans la tranche de silicium moyennant le sacrifice des caractéristiques électriques désirées ou de 'la simplicité de fabrication. De tels procédés de diffusion sont difficiles et sont compliqués par les variations de la résistivité nor- 15 maie dans le matériau de départ. Récemment, des efforts considérables ont été faits pour perfectionner les techniques de réduction à la vapeur des halogénures de silicium et de germanium sur un filament chaud pour obtenir un cristal semi-conducteur pur sous forme élémentaire. Un exemple d' 20 une telle technique est décrit dans le brevet français ÏÏ8 1580402. La technique décrite permet de faire croître un cristal sur un substrat de silicium en attaquant d'abord le substrat avec de la vapeur chaude et en déposant ensuite du silicium. Le décapage à la vapeur chaude est effectué à 1325SC environ dans une atmosphè-25 re constituée par un mélange gazeux contenant de l'hydrogène et du gaz chlorhydrique. Consécutivement au stade de décapage, du silicium est déposé sur le filament en l'exposant à une ambiance contenant de l'hydrogène et du triehlorosilane. Après réduction de la concentration du gaz chlorhydrique, la température du fila-30 ment est abaissée à 1200SC environ. Du silicium est déposé ainsi sur un filament pendant une durée suffisante pour obtenir une tige de diamètre désiré. Suivant l'invention, la technique décrite dans le brevet précité est modifiée en ajoutant un dopant à l'ambiance contenant de 35 l'hydrogène et du triehlorosilane pendant le dépôt de silicium sur le filament chauffé. Ceci produit une région de résistivité commandée radialement qui s'étend à partir de l'axe longitudinal. Lorsque le silicium déposé sur le filament chauffé a atteint le diamètre désiré, on peut faire varier le dopant et exposer la ti-40 ge à une autre source de vapeur décomposable thermiquement pour 69 37524 2 2022057 produire un anneau de haute résistivité en matériau semi-conducteur entourant le noyau interne de matériau de résistivité plus faible. Suivant un mode de réalisation particulier de l'invention, 5 le barreau semi-conducteur monocristallin engendré par croissance de la manière décrite dans le paragraphe précédent est découpé perpendiculairement à son axe longitudinal en pastilles à surfaces planes et d'épaisseur désirée. On peut diffuser ensuite un dispositif semi-conducteur de puissance dans l'une des surfaces planes 10 à l'aide d'une technique de décapage et de masque photographique. Il en résulte un dispositif de puissance situé dans une région de faible résistivité et isolé par un anneau de haute résistivité. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, un anneau en matériau à haute résistivité entoure un anneau interne en maté-15 riau de résistivité plus faible et est lui-même entouré par une zone en matériau de résistivité plus faible. Un dispositif semiconducteur de puissance peut alors être diffusé dans l'une des surfaces planes de l'anneau interne d'une pastille découpée dans un tel barreau semi-conducteur. Des dispositifs semi-conducteurs ^0 supplémentaires peuvent être fabriqués dans la région externe de plus faible résistivité pour former un circuit intégré complet sur une pastille. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, la résistivité radiale du barreau semi-conducteur engendré par crois-25 sance est élevée sur les zones internes et externes séparées par un anneau de résistivité plus faible. Un dispositif semi-conducteur de puissance peut être diffusé ensuite dans l'anneau de faible résistivité d'une pastille découpée dans un tel barreau. L'invention a pour but de fournir : 30 - un procédé de fabrication de dispositifs de puissance de grande superficie présentant des caractéristiques de fonctionnement perfectionnées; - un procédé de fabrication de dispositifs de puissance de grande superficie entouré par un anneau d'isolation à haute ré- 35 sistivité; - un procédé de fabrication de dispositifs de puissance à grande superficie en commandant uniformément le gracient de résistivité radiale au moyen d'une technique de dopage en phase gazeuse. 69 37524 2022057 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante, donnée à titre d' exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig. 1 représente schématiquement une - chambre de dépôt 5 destinée à faire croître un matériau semi-condueteur raonocristal-lin; la Pig. 2 est une vue en perspective d'une pastille à surfaces planes, découpée dans un barreau de matériau'semi-conducteur monocristallin; 10 la Pig. 3 est une vue en coupe d'un dispositif de puissance de grande superficie muni d'tm anneau d'isolation; la Pig. 4 est une vue en perspective d'une pastille à surfaces planes comportant un anneau de haute résistivité séparant deux régions de résistivité plus faible; 15 la Pig. 5 est une vue en coupe d'un circuit intégré formé sur une surface de la pastille de la Pig.4. - En se référant d'abord à la Pig. 1, il est représente une chambre de dépôt destinée à réduire des halogénures de silicium et de germanium sur un filament chaud pour obtenir un matériau semi-20 conducteur monocristallin et pur sous forme élémentaire. la chambre de dépôt comprend un tube en quartz 10 et deux plaques d'extrémité 12 et 14. La plaque d'extrémité supérieure comcorte un tuyau d'admission 16 destiné à faire entrer les gaz de réaction dans la chambre pendant les stades de décapage et Le filament semi-conducteur 20 sur lequel les halogénures de 35 silicium ou de germanium sont déposées est supporté dans la chambre de dépôt au moyen d'un'mandrin supérieur 22 et d'un mandrin inférieur 24. Le mandrin inférieur peut être du type coulissant afin de constituer'un moyen de réduire la contrainte à une valeur minimale dans le filament lorsque ce dernier est chauffé aux tem-40 pératures de décapage et de dépôt. Les mandrins 22 et 24 par exem- 69 37524 4 2022057 pie sont en graphite pur et sont munis d'un alésage conique pour enserrer les extrémités du filament. Le mandrin inférieur 24 est monté de façon coulissante sur une électrode 26 qui fournit un moyen d'alimenter en courant élec-5 trique le filament 20 pour chauffer ce dernier. L'énergie électrique provenant d'une source (non représentée) est appliquée au mandrin 24 pai" l'intermédiaire d'un parcours qui comprend un conducteur flexible 28 fixé à l'électrode au moyen d'une bride 30. Un écrou de compression 32 vissé sur un tube 34 fournit un moyen de 10 maintenir l'électrode 26 dans une position initiale déterminée par la longueur du filament 20. Pour maintenir l'électrode en dessous de la température à laquelle elle dégage des agents de contamination, on dirige un jet d'eau dans un alésage central au moyen d'un tuyau 36. L'ensemble du mandrin 24» de l'électrode 26 et du tube 15 34 est supporté par une fixation à la plaque inférieure 14. A l'extrémité supérieure de la chambre de dépôt, le mandrin supérieur 22 est vissé sur une électrode 44 qui fournit un moyen d'alimenter le filament 20 en courant électrique pour le chauffer pendant les stades de décapage et de dépôt du procédé de réduction 20 à la vapeur. L'électrode 44 est connectée à une source d'énergie électrique (non représentée) par l'intermédiaire d'un conducteur souple 46 fixé à l'électrode au moyen d'une bride 48. L'électrode 44 est maintenue en position au moyen d'un tube 50 fixé à la plaque d'extrémité supérieure 12. 25 Pour mettre le filament en position en vue de l'opération de réduction par la vapeur, il est inséré d'abord dans le mandrin 22 qui a été vissé sur l'électrode 44. Le mandrin inférieur 24 coulisse sur l'extrémité inférieure du filament 20 et l'enserre. Avec l'électrode 26 positionnant le mandrin de la manière expliquée ci-30 dessus, un montage du filament exempt de contrainte est possible. Pour chauffer le filament 20 aux températures de décapage et de dépôt, de l'énergie électrique lui est appliquée par l'intermédiaire des électrodes 26 et 44. On continue à faire circuler le courant jusqu'à ce que le fi-35 lament 20 soit chauffé initialement à une température de l'ordre de 1325SC. A ce point, on laisse circuler un gaz portetir, tel que de l'hydrogène dans le tuyau d'admission 16 et à l'intérieur de la chambre de dépôt. A cette température élevée, le substrat est exposé pendant une durée de 0,5 à 4 minutes à un mélange gazeux 40 contenant de l'hydrogène et 20 % molaire, (en se basant sur l'hy- 69 37524 2022057 drogène) de gaz chlorhydrique, à la suite de quoi le substrat est exposé de nouveau à une atmosphère d'hydrogènerelativement pur. Après exposition à l'atmosphère d'hydrogène relativement pur pendant une durée ce 1 à 30 minutes, le substrat est exposé de nou-5 veau à un mélange gazeux d'hydrogène et de 10 % molaire (par rapport à l'hydrogène) de gaz chlorhydrique pendrnt une durée de 15 minutes. Consécutivement aux stades ce décapage ci-dessus, la température du filament 20 est abaissée à 1200SC environ pour permettre 10 la décomposition thermique d'une source de vapeur d'atomes semiconducteurs. Actuellement, le matériau préféré de source d'atomes de silicium devant être utilisés dans la croissance du cristal est le silicochloroforme (triehlorosilane), bien que d'autres halogénures tels que le tétrachlorure de silicium, le tétrabromure de 15 silicium, etc.. et le silane lui-même puissent être employé en réglant de façon appropriée la température, les rapports molaires des gaz, les débits, etc... On dépose du silicium sur le filament 20 pendant une durée suffisante pour produire un barreau de silicium de diamètre désiré. 20 Pendant cette période de dépôt de silicium, des atomes d'im- - puretés actives (par exemple du bore , si on désire obtenir un ma-térieu de type P) peuvent être introduits dans le barreau de silicium au moyen du courant de gaz. Le matériau de l'impureté est également en phase vapeur et est un composé qui, lorsqu'il est soumis 25 aux conditions de températures existant à la surface des éléments de départ en silicium, décompose et dépose ces atomes de l'impureté active en même temps que des atomes de silicium élémentaire. On a constaté que les halogénures des matériaux d'impuretés actives fournissent d'excellentes sources d'iupuretés satisfaisant à ces 30 conditions. Pour former un matériau semi-conducteur de type P, on peut utiliser du trichlorure de bore comme source d'impuretés actives et du trichlorure de phosphore comme matériau d'impureté active lorsqu'on forme une couche de type Suivant l'invention, une impureté active est introduite en 35 même temps que le matériau de source pour produire un matériau ayant une faible résistivité. Au bout d'une durée prédéterminée, la source d'inpuretés est retirée et on ne laisse que le matériau de source pour continuer la croissance du cristal. On fait croître maintenant un anneau en silicium de hqute résistivité autour de la 40 zone interne de résistivité plus f°ible. Au lieu de supprimer le 69 37524 6 2022057 dopant après la période prédéterminée initiale, on peut faire varier la concentration du dopant ou même le changer pour produire un anneau de résistivité différente. On dispose donc d'une latti-tude considérable pour produire un barreau seaii-conducteur ayant 5 une résistivité radiale pour une configuration désirée. On peut déposer des couches supplémentaires de matériau semiconducteur monocristallin sur les cristaux ainsi formés d'une manière similaire à celle décrite ci-dessus. En apportant les modifications appropriées à la source d'atomes d'impuretés actives, 10 on peut faire croître des couches de type P ou de type lû La fabrication de dispositifs semi-conducteurs à partir des cristaux polyédriques formés suivant la description ci-dessus commence en découpant le cristal en pastilles à surfaces planes et d'épaisseur désirée. En se référant à la Fig. 2, il est repré-15 senté une pastille 60 à surfaces planes, découpée dans un cristal ayant une zone interne 62 de faible résistivité entourée par un anneau 64 de haute résistivité. A titre d'exemple, la zone interne 62 a une résistivité d'environ 0,2 ohm-cm et l'anneau 64 a une résistivité de 10 à 15 ohms-cm. 20 Des jonctions de grandes superficie peuvent être formées dans l'anneau interne 62 par l'une quelconque de techniques bien connues. En se référant à la Fig. 3, il est représenté une vue en coupe d'un transistor de grande superficie fabriqué dans une sur-, face de la pastille 60 au moyen de techniques de masquage et de 25 diffusion. Tous les stades de diffusion devant être décrits utilisent des techniques classiques en ce sens que de lfoxyde de silicium est utilisé comme masque de diffusion et sa configuration est obtenue au moyen d'un procédé photo lithographique classique. L'oxyde de silicium destiné à chaque stade de diffusion successif 30 est engendré au cours du stade de diffusion précédent. Par conséquent, le procédé de masquage associé à chaque stade n'est pas décrit en détail. La première pellicule d'oxyde de silicium est engendrée car croissance au moyen d'un procédé classique de thermo-oxydation dans lequel la pastille 60 est exposée à une atmos-35 phère de vapeur d'eau pendant 30 minutes tout en étant chauffée à 1200SC environ. En supposant que la surface interne de la pastille 60 est en matériau du type ïf et forme l'électrode de collecteur d'un transistor, le stade suivant la formation de la pellicule d'oxyde de 40 silicium est le dépôt et la diffusion d'un matériau de type P 69 37524 7 2022057 formant une région de base 68. Cette opération est une diffusion de bore qui peut être effectuée avec du tribromure de borë (BBr^). Le dépôt est effectué à 950§C pendant une durée de 15 minutes et fournit une résistance superficielle initiale d'environ 60 ohms 5 par carré. Après un stade de dévitrification, on place le substrat dans un four à diffusion et on le chauffe à 12002C dans une atmosphère d'oxygène pendant 5 minutes, une atmosphère de^ vapeur d'eau pendant 20 minutes et une atmosphère d'azote pendant 5 minutes. 10 Ensuite, on diffuse la région d'émetteur 70 du transistor PNP; on peut utiliser de 1'oxychlorure de phosphore (POCl^) pour obtenir le phosphore destiné à doper le silicium. Le dépôt est effectué à 8002C pendant 20 minutes environ, précédé et suivi par des purges à l'azote de 5 minutes pour obtenir une résistance su-15 perficielle d'environ 200 ohms par carré. Après un stade de dévitrification, la région d'émetteur 70 est diffusée à 12002C pendant 5 minutes dans une atmosphère d'oxygène, 20 minutes dans une atmosphère de vapeur d'eau et 5 minutes dans une atmosphère d'azote. Lorsque tous les stades de diffusion ont été effectués, une 20 couche d'oxyde pyrolytique ayant une épaisseur comprise entre O 2000 et 3000 Â est formée sur la pastille. Cette couche peut être formée en plaçant la pastille dans un four maintenu à une température d'environ 4508C avec un oxydant, tel que de l'oxygène gazeux ou de la vapeur d'eau. Des ouvertures sont découpées ensuite dans 25 l'oxyde par une technique utilisant un matériau de réserve photographique dans les zones où des contacts ohmiques doivent être formés. Lorsque la pastille a été nettoyée de nouveau, elle est placée dans une chambre ajévaporation sous vide et le métal des con-tacts ohmiques est vaporisé sur la pastille par un filament chauf-30 fé. La pastille métallisée est enduite de nouveau d'un matériau de réserve photographique, est exposée à travers, un masque définissant les contacts et est développée. Un décapage approprié, utilisant par exemple de l'hydroxyde de sodium, élimine le métal superflu afin de définir les contacts 72 et 74 des régions d'émetteur 35 et de base respectivement. Le dispositif qui est alors formé dans la pastille 60 comporte des jonctions à grand© superficie pour des applications de puissances élevées. Les jonctions sont entourées par un anneau 64 de haute résistivité qui sert .d'anneau d'isolation et améliore les 40 caractéristiques de fonctionnement du dispositif. 69 37524 2022057 Outre les composants discrets, des circuits intégrés complets peuvent être formés sur des pastilles à surfaces planes découpées dans un cristal polyédrique engendré par croissance de la manière expliquée ci-dessus. Dans les circuits intégrés,.il est 5 intéressant de placer les dispositifs de puissance dans des anneaux d'isolation séparés électriquement des autres composants du circuit. En se référant à la Pig. 4» il est représenté une pastille 76 à surfaces planes ayant une zone interne 78 de faible résisti-10 vité entourée par un anneau 80 de haute résistivité qui est lui-même entouré par une autre zone 82 de résistivité uniforme à peu près égale à celle de la zone 78. La Pig. 5 est une vue en coupe de la pastille du type représenté à la Pig. 4 et comprenant plusieurs composants d'un circuit intégré. Afin de fabriquer un cir-15 cuit monolithique complet, tout procédé utilisé doit permettre de fabriquer simultanément les résistances, les diodes et les condensateurs. Le mode opérateur normalement employé pour fabriquer des résistances consiste à utiliser les régions de base et d'émetteur des transistors, suivant les valeurs des résistances prévues pour 20 le circuit. En général, ces régions diffusées doivent présenter une résistance superficielle relativement faible afin d'obtenir des transistors de fonctionnement optimal. Le circuit intégré représenté à la Pig. 5 est constitué par une zone centrale 78 de type H et une zone externe 82 de type N 25 séparées par un anneau 80 de haute résistivité de type P formant une barrière isolante entre les zones interne et externe. Un transistor PNP indiqué d'une manière générale par la référence 84» est formé par une région de collecteur 86 diffusée de type P, une région de base 88 diffusée de type N et une région d'émetteur 90 dif-30 fusée du tjrpe P. La zone interne du matériau de type N forme la région de collecteur d'un transistor 0P1 indiquée d'une manière générale par la référence 92. Une région diffusée 94 du type P forme la base et une région diffusée 96 de type ïï forme l'émetteur. Une diode, indiquée d'une manière générale par la référence 98, est 35 formée par le matériau de type N de la zone externe 82 et par une région diffusée 100 de type P. Une région diffusée 102 de type U et fortement dopée fournit un contact ohmique pour la région du type ïtf du matériau de la base. A la Pig.5, la couche d'oxyde utilisée comme masque de diffusion au cours de la fabrication du cir-40 cuit est indiquée d'une manière générale par la référence 104 et 69 37524 9 2022057 est représentée sous la forme sous laquelle elle existe avant le découpage des ouvertures dans l'oxyde ainsi que le dépôt et la mise en forme de la pellicule métallisée destinée à constituer les contacts des divers composants. Bien qu'ils ne soient pas re-5 présentés, les résistarces, les condensateurs et d'autres composants électroniques peuvent être fabriqués d--rs !;ne pastille du type représenté à la Fig. 4. Dans une variante du dispositif décrit ci-dessus, une pastille à surfaces planes comporte une zone interne de haute résistivi-10 té entourée par un anneau de faible résistivité qui est entouré lui-même par une autre zone de résistivité uniforme de 1*ordre de celle de la zone interne. Un dispositif semi-conducteur de grande superficie peut alors être fabriqué dans l'anneau à faible résistivité au moyen de techniques de masquage photographique et de 15 décapage classiques. Une autre variante comprend une série d'anneaux concentriques de haute et de faible résistivité- en alternance. Des dispositifs semi-conducteurs de puissance de grande superficie peuvent alors être fabriqués dans chacune des zones à faible résistivité. Cha-20 que dispositif semi-conducteur doit être isolé des dispositifs contenus dans les autres anneaux à faible résistivité. 69 37524 10 2022057 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'au moins un dispositif de puissance semi-conducteur consistant à exposer un filament de semiconducteur chauffé à un mélange gazeux, à déposer un matériau semi-conducteur sur ledit filament à partir dudit mélange, pour 5 former un barreau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter un dopant audit mélange gazeux pour produire une région de résistivité uniforme prédéterminée, à modifier ledit dopant après que le barreau a atteint un diamètre prédéterminé, à former une région de résistivité différente autour de ladite 10 région centrale, i. découper ledit barreau perpendiculairement à son axe longitudinal en pastilles à surfaces planes, à former les régions actives du dispositif de puissance à semi-condœteur dans l'une des surfaces de ladite pastille dans une desdites régions de.résistivité . 15 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait varier la concentration ou la composition dudit dopant pendant la croissance dudit barreau semi-conducteur pour faire varier sa résistivité dans une direction radiale . 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 20 3, caractérisé en ce que l'on coupe l'arrivée du dopant après formation de ladite région centrale de résistivité prédéterminée pour produire un anneau de résistivité élevée entourant ladite région centrale . 4. Procédé suivant la revendication 3* caractérisé en ce quVon 25 réintroduit ledit dopant après la formation dudit anneau à résistivité élevée, pour produire une région externe de résistivité uniforme du même ordre que la résistivité de ladite région centrale . 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que 30 l'on forme les régions actives des dispositifs semi-conducteurs de puissance dans ladite région centrale et dans ladite région externe de l'une des surfaces de ladite pastille semi-conductrice . 6. Procédé suivant les revendications 1 et 5, caractérisé en ce qu'on forme lesdites régions actives par un procédé de diffusion. 35 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux contient de l'hydrogène et du triehlorosilane .