Brevet FR2018367A1 — publié le 19700529

La présente invention concerne un"dispositif semi-conducteur9 plus particulièrement du type utilisant des polycristaux dans lequel le coefficient de diffusion d'impureté est supérieur à celui obtenu dans les monocristaux» 5 Des dispositifs semi-conducteurs du type ayant une jonction formée en diffusant une impureté dans un substrat semi~conducteur à travers une fenêtre percée à travers un film dûoxyde à un emplacement choisis sont connus sous le nom de, par exemple, transistors planaires» Oes transistors ont une jonction 10 d'une section transversale à pans et sont défectueux dans les bas voltages de rupture» En effet les transistors sont rompus avant que le voltage de rupture réel parvienne à la valeur théorique. Ceci est considéré comme causé principalement par la forme de la jonction» En fait, un champ électrique est concentré sur les 15 portions de la jonction ayant de faibles rayons de courbure pour élever rapidement le voltage de rupture dans les portions jusqu'à sa limite , ce qui cause la rupture des dispositifs bien que le voltage de rupture dans les autres portions de la jonction est encore compris dans ses limites» 20 Dans les transistors planaires, une impureté est incluse dans un substrat de silicium près de sa surface recouverte avec un film d'oxyde pour abaisser la résistivité dans cette partie^ d'où résulte une diminution du voltage de rupture des transistors*» En outre le substrat de silicium est mécaniquement 25 déformé en raison de la différence entre les coefficients de dilatation thermique du silicium et de l'oxyde de silicium dans le substrat, ce qui provoque une diminution du voltage de rupture et un accroissement du courant de faite inverse» Le dispositif de l'invention est caractérisé 30 en ce que la couche à croissance par vapeur est une couche poly-cristalline, au moins une région diffusée étant, formée dans la couche monocristalline par diffusion à travers la couche polycris-talline, aine jonction p~n étant formée le long de ladite région diffusée» 35 Conformément à l'invention l'impureté est diffusée dans un substrat monocristallin à travers une couche polycristalline formée sur le substrat, pour former une jonction à rayon de courbure aussi grand que possible en vue d'éviter les défauts rencontrés dans les dispositifs semi-conducteurs de type 40 planaire traditionnels» 69 31824 2 2018367 Conformément à l'invention le dispositif semiconducteur est recouvert sur sa surface avec une couche polycris-talline, de sorte qu'aucune distorsion n'est provoquée par la différence des coefficients de dilatation thermique du film d'oxyde 5 déposés sur la surface du substrat et du; substrat" lui-même. 'En outre, la vitesse de diffusion d'impureté est élevée dans la couche polycristalline et la concentration en impureté à la surface de la couche peut être directement modifiée, de sorte que l'impureté peut être aisément empêchée de s'accumuler dans le substrat près 10 de la surface par la réalisation d'un film d'oxyde. Le wpolycris-tal" mentionné comprend non seulement des polycristaux usuels, mais également des matières non cristallines déposées par -vapeur dont la vitesse de diffusion d'impureté est supérieure à celle dans les monocristaux. 15 L'invention fournit un dispositif semi-conducteur à voltage de rupture élevé qui est capable d1éviter les tensions internes thermiques. La surface est revêtue d'un film protecteur• La description se rapporte à des exemples de réalisation représentés aux dessins joints dans lesquels g 20 « La figure 1 est une vue en coupe transversale agrandie d'un dispositif semi-conducteur traditionnel. La figure 2 est une série de schémas en section transversale d8un semi-conducteur de l'invention à différentes étapes de fabrication» 25 «=> La figure 3 est une coupe transversale montrant une jonction dans un semi-conducteur planaire traditionnel* «Les figures 4 et 5 sont des vues en coupe transversale montrant des jonctions dans des dispositifs semiconducteurs conforme à l'invent ioriï 30 ~ La figure 6 est une autre série de schémas analogues* à la figure 2 montrant une variante de réalisation de l'invention; La figure 1 montre un dispositif semi-conducteur planaire traditionnel, dans ce cas une diode. La référence 1 35 indique, par exemple un semi-conducteur monocristal de silicium de type n sur la surface supérieure duquel est formé un film d'oxyde 2 constitué, par exemple, en dioxyde de silicium^1 Ce film est enlevé, par procédé de photo~résistance, en une zône sélectionnée pour former une fenêtre 4, à travers laquelle est 40 diffusée une impureté dans le substrat, pour"y former une région 3 69 31824 5 2018367 de type p avec une jonction j„ Le voltage de rupture 7^ d'un tel semi-conducteur dépend principalement de la forme de la jonction. Un accroissement du voltage de rupture provoque une rupture de la jonction d'abord au voisinage d'un coin à angles aigus 5 5 ayant un rayon de courbure minimal« La figure 2 montre un exemple de l'invention appliqué à la fabrication d'une diode9 conçue pour éviter autant que possible ces portions à angles aigus mentionnées ci-dessus. La fabrication commence par la préparation d'un 10 substrat 101 (figure 2 A) qui est, par exempleP une rondelle de monocristal de solicium de type n® Ensuite le substrat 101 est recouvert sur toute sa surface par le dépôt d'une couche 102 à site de germination pour la- formation d'une couche à croissance par vapeur (figure 2 B). La couche 102 peut être 15 formée par dépôt de vapeur de silicium à basse température. Dans un procédé typique de croissance par vapeur à basse température, le substrat est chauffé dans une chambre de réaction à une température de 500 à 550°C. et un courant de monosilane Si et d'hydrogène gazeux est passé sur le substrat avec un débit de 2 à 3 20 litres par minute9 pour former une couche à sites de germination 102 ayant une épaisseur de 0P5 à 3 microns. La condition de température pour cette opération est très importante. Une température inférieure à 500°0 ne cause aucun dépôt silicium tandis qu'une température trop élevée provoquef dans la couche à mono-25 cristals des dislocations qui s'opposent à l'application de l'invention. On comprendra que la couche à sites de croissance 102 peut être réalisée au moyen d'un sablage9 d'un grattage ou autres méthodes convenables. On réalise ainsi une couche à sites de croissance d'une matière fine9 sans axe cristallographique 30 qui convient pour la formation de la couche polycristalline. Il est également possible de former une couche amorphe de dioxyde de silicium par oxydation ou décomposition thermiquep assez mince pour permettre une diffusion d'impureté à travers elle. La nouvelle étape consiste à former une couche 35 polycristalline 103 sur la couche à site de croissance 102 (figure 2 C). Dans une opération typique de croissance par vapeur£, un courant gazeux de tétrachlorure Si Cl^ et de tétrachlorure d'arsenic As Cl^ a été passé sur le substrat 101 en présence d'hydrogène alimenté avec un débit de 8 litres par minute à 40 température de 1100 à, 1200°C. On a fermé ainsi une couche polycris- ,0 31824 4 2018367 t»7 talline à croissance par vapeur de type n 103 ayant une épaisseur d'environ 3 microns. On a constaté au microscope électronique que la couche 103 polycristalline à croissance par vapeur était un 5 agrégat de fins polycristaux substantiellement rectilignes en une direction vers le haut à partir de la couche à site de croissance 102 mentionnée ci~dessus ou couche amorphe. Les polycristaux sont disposés très près les uns des autres et les espaces entre eux sont tellement étroits qu'ils ne sont pas décelables optiquement. 10 Dans les dessins la couche polycristalline de croissance par vapeur 103 est hachurée verticalement» Après la formation de la couche polycristalline 1039 on dépose sur toute sa surface un film 104 de dioxyde de silicium (ou de nitrure de silicium) par oxydation thermique 15 (figure 2 D)a Ensuite le film 104 est enlevé par endroitss par exemple par procédé photorésistant pour former une fenêtre 105 p à travers laquelle une impureté de type p est diffusée pour produire une région diffusée 107 (figiire 2 E). Par exemple l'oxyde de bore est chauffé à une température dcenviron 95û°C - : •• ie 20 décomposer et le bore est déposé sur la surface de • souche 1v3 exposée à travers la fenêtre 105j> après quoi la rou . ..e est chauffée à une température d'environ 1200°C pendant 50 minutes à>$ manière à diffuser le bore dans la rondelle, ûa temps ds diffusion est plus court que celui relatif à un semi-conducteur monocristal 25 de la technique antérieure® Dans 1® expérience qui a été faites le bore a été diffusé jusqu'à une profondeur de 6 microns et on a réalisé une jonction p~n 106 qui s'étend vers le bas au-delà de la couche polycristalline 103 à croissance par vapeur - a couche 102 et dans le substrat monocristallin 101, 30 - Ensuite,, une électrode 108 en aluminium on analogue est formée dans la région diffusée 107 de typi p et des fils conducteurs 109^ et 109£ sont connectés à l'électrode 108 et le substrat 101 réalisant ainsi une diode telle que celle de la figure 2F. On a constaté au microscope électronique que la 35 jonction d'une telle diode était de forme à pans ayant un grand rayon de courbure dans le substrat. Ceci est dû au fait que la vitesse de diffusion de l'impureté dans la couche polycristalline est de quelques dix fois plus élevée que celle d'ur. teur .à monocristal* L'impureté est diffusée à tx , là " " ; ? 40 105P le plan de diffusion près du centre de la fenêtre der-liant BAD ORIGINAL 69 31824 5 2018367 parallèle au plan du semiconducteur p mais l'impureté près du "bord de la fenêtre étant diffusée dans la couche polycristalline sur le côté extérieur de la fenêtre et également dans la couche monocristalline vdsine de la couche polycristalline» Il en résulte, 5 la formation d'une jonction à pans 106 de grand rayon de courbure qui est substantiellement plane au voisinage de son centre et s'étend avec une courbure douce vers les frontières entre le substrat 101 et la couche polycristalline 103. Les figures 3 à 5 montrent les résultats de 10 différentes expériences» La figure 3 montre en section transversale la jonction d'un dispositif semi-conducteur de type planaire traditionnel. Les figures 4A et 4B montrent également en section transversale, les jonctions de dispositifs semi-conducteurs de l'invention dans lesquels des couches polycristallines de 1 et 2 15 microns ont été respectivement formées sur des substrats de silicium de type n et dopés avec une impureté de type p+» Les figures 5A à 5D sont des vues en coupe transversale des jonctions des dispositifs semi-conducteurs de l'invention dans lesquels les couches polycristallines de 1, 2„ 3 et 5 microns respectivement 20 sont formées sur des substrats en silicium de type p et dopés avec une impureté de type n+„ Les jonctions dans les figures 5A et 5B ont toutes été formées dans les mêmes conditions de diffusion. Les figures 3 à 5 montrent comment la forme de la jonction est influencée par la couche polycristalline servant 25 de voie de diffusion d'impureté. D'après les essais sur des diodes des figures 3 et 4 formées dans les mêmes conditions de diffusion, le voltage de rupture de la technique antérieure de la diode de figure 3 était de 110 à 140 volt, tandis que ceux des diodes de l'invention des figures 4A et 4B étaient respectivement de 130 à 30 170 volt et 170 à 220 voltà Ainsi la présente invention améliore considérablement les caractéristiques des diodes. En outre, on a constaté que le voltage de rupture n'est pas affecté par une jonction d'une courbure à faible rayon formée dans la couche p olycristalline• 35 Dans le dispositif semi-conducteur traditionnel, une portion j f où la jonction j rencontre la surface du substrat» est couverte avec le film d'oxyde 2 comme montré dans la figure 1. Cette construction est indésirable parce que la tension thermique du film d'oxyde 2 exerce une mauvaise influence sur la jonction 40 pour abaisser le voltage de rupture et modifie la jonction. 69 31824 6 2018367 Au contraires avec la présente invention, une portion 106 f où. la jonction 106 rencontre la surface du substrat 101 est couverte avec la couche polycristalline 103 (figure 2 E et 2 F) et la couche 103 sert à réduire la tension thermique du film 5 d3 oxyde 104 de manière à éviter un abaissement du voltage de rupture et un accroissement du courant de fuite inverse# En outre, dans la présente invention, Ie effet de dopage de surface (par lequel une impureté est logée juste au~dessous du film d'oxyde pour réduire la résistivité de la surface de substrat) qui se rencontre 10 dans le transistor de type planaire antérieur, peut être également éliminéc en choisissant la résistivité de la couche polycristalline comme prédéterminée, utilisant la grande vitesse de diffusion d'impureté dans le polycristal. Ainsip l'invention assure un voltage de rupture 15 fortement" augmenté de la diode, par rapport à celui de diodes traditionnellesi Un examen de la couche polycrista3.li.ne de croissance par vapeur 103 montre que les polycristaux sont de forme différente sous l'influence de la forme et de la propriété du site 20 de germination ou de la couche amorphe i En fait, dans la couche à site de germination formée par croissance ou dépôt de vapeur à basse température, les polyeristaux de silicium étaient de fines colonnes d'environ 0,6 à 5 microns d'épaisseur. Par contre, dans une couche polycristalline formée par croissance de vapeur sur tua 25 film vitreux amorphe de dioxyde de silicium déposé sur une tranche de substrat^ les polyeristaux étaient un peu plus larges que ceux de la couche polycristalline ci-dessus formée sur la couche à sites de germination, et la marge de grosseurs de grains des polyeristaux étaient d'environ 0,8 à 30 microns» Cependant la grosseur de 30 grains est au maximum de 30 microns et beaucoup plus petite que celle (allant jusqu'à 100 microns) des polyeristaux usuels obtenus dans les techniques antérieuress Dans les exemples précédents, la couche 103 polycristalline de croissance par vapeur est formée sur la surface 35 supérieure du substrat 101 à travers la couche à site de croissance 102. Mais, même si une couche amorphe de dioxyde de silicium peut être formée à la place de la couche 102, ou si la couche polycristalline est formée directement sur le substrat, il est possible de former une jonction à grand rayon de courbure dans le substrat 40 pour assurer le même effet que celui décrit précédemment^ la couche 69 31824 7 2018367 polycristalline peut être formée sur le substrat par dépôt de vapeur ou aspersion,, Bien entendup dans" ce easp la couche polycristalline peut être formée par n'importe quelle méthodes pourvu que la vitesse de diffusion de 15 impureté dans la couche soit plus 5 grande que dans le substrat 101é la figure 6 montre une suite d'étapes pour la manufacture d'un, transistor conforme à l'invention, la fabrication commence par la préparation dcun dispositif tel que représenté dans la figure 6 A qui a une jonction à pans 306 formée par '0 une opération analogue à celle de la figure 20 La référence 301 indique un substrat en silicium de type n sur lequel sont formées une couche à sites de germination 302 et une couche polycristalline à croissance par vapeur 303. la référence 304 désigne une couche d°oxyde formée sur la couche polycristalline 303. Une 15 impureté est diffusée à travezsune fenêtre 305 formée dans la couche d° oxyde 304 pour former une région de type p 307 et une jonction 306. Ensuite une fenêtre 308 de grandeur prédéterminée est formée dans la couche d'oxyde 304 formée par l'opération de 20 diffusion ci~dessus9 et une impureté de type n est diffusée à travers la fenêtre 308 jusqu'à s'étendre vers le bas dans le substrat 301 en créant une région 310 de type n et une jonction 312 (figure 6B}# La jonction 312 a une section transversale à grand rayon de courbure dans le substrat 301 g de la même manière 25 que la .première jonction 3060 Ensuite des électrodes de collecteur£, d8 émetteur» et-de base 311.0 s 311 et 3H|| sont respectivement montées sur le substrat 301 et les régions 30? et 309 de type p et de type n, fournissant ainsi un transistor tel que représenté à la figure 6C« 30 On a constaté quej. étant donné que les voltages de rupture des deux jonctions étaient plus élevés dans la diode mentionnée plus hauts le voltage de rupture totale dans ce cas? était également suffisant pour le transistor» Bien que dans les exemples des figures 2 et 6P les 35 électrodes soient formées sur la couche polycristalline maintenue sélectivementP il est également possible d'enlever la couche polycristalline après la diffusion et de former les électrodes directement sur le substrat© En outrer la présente invention est applicable à des dispositifs semi-conducteurs autres que des diodesp 40 tels que des transistors circuits intégrés etQ«# 69 31824 8 2018367 Les types de conduetivité indiqués ne sont pas limitatifs et peuvent être choisis de sens opposésè L°invention est applicable non seulement au silicium et au germanium^ mais également à d'autres composés intermétalliques tels que lrarséniure de gallium et autrese Bien entendu 111 invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci~dessus décrits et représentésp pour lesquels on pourra prévoir dcautres modes et d'autres formes de réalisation sans pour- cela sortir du cadre de 1® inven-tioné BAD ORIGINAL 69 31824 9 2018367 REVENDICATIONS 1°/ Dispositif semi-conducteur comprenant un monocristal semi= conducteux et une couche de croissance par vapeur formée sur ce monocristalp dispositif caractérisé en ce 5 que la couche à croissance par vapeur est une couche polycristalli» ne p au moins une région diffusée étant formée dans la couche monocristalline par diffusion à travers la couche polycristalline9 une jonction p~n étant formée le long de ladite région diffuséei 2°/ Dispositif suivant la revendication 1 10 caractérisé en ce que la jonction p=n a une section transversale à grand rayon de courbure » 3°/ Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend une seconde région diffusée formée dans la couche de monocristal par diffusion à travers la couche poly-15 cristallines avec une seconde jonction p-ni 4°/ Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la couche à croissance par vapeur consiste en une région polycristalline et une région monocristalline, ladite région monocristalline ayant au moins une région diffusée formée 20 en elle• 5°/ Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que la région monocristalline comprend une autre région diffusée en elle pour former une autre jonction p-n» 6°/ Procédé pour la fabrication d'un dispositif 25 semi-conducteur suivant l'une quelconque des revendication 1 à 5p caractérisé en ce qu'on part d'un substrat semi-conducteur monocristallin d'un type de conductivité et on forme une couche polycristalline sur ce substrats on diffuse une impureté du type de conductivité opposé à celui du substrat à travers la couche 30 polycristalline dans le substrat monocristallin pour y former une jonction p-n» 7°/- Procédé suivant la revendication 6 caractérisé en ce qu'on diffuse une impureté dans le substrat monocristallin pour former une autre jonction p-n dans ce cristal'» 35 8°/ Procédé suivant la revendication 6 caractérisé en ce que la couche polycristalline est formée en réalisant sélectivement une couche de site de germination sur ledit substrat et formant une couche à croissance par vapeur ayant une région monocristalline et une région polycristalline contigues à ladite 40 couche à site de germination sur ledit substrat»