Brevet FR2026659A1 — publié le 19700918

La présente invention concerne un procédé pour fabriquer des composants à semiconducteurs, dont la matière de base est en silicium, et qui comportent au moins deux zones de types de conductivité différents, obtenues par diffusion, du 5 type dans lequel on réalise la diffusion des différentes zones à partir de substances solides, contenant la substance dopante et déposées sur la surface du cristal semiconducteur. Le recouvrement de pastilles de cristal de silicium avec une substance dopante diffusant ultérieurement, pour 10 la fabrication de composants à semiconducteurs, est en général effectué dans un four, dans une atmosphère remplie par la substance dopante. Le nombre des pastilles de cristal qui peuvent être recouvertes simultanément pendant une opération, est plus ou moins limité par la distance, séparant les pastilles les unes 15 des autres, en fonction de l'uniformité du revêtement exigée. C'est pourquoi, dans le cas des composants à semiconducteurs de puissance élevée, qui ont des dimensions relativement grandes, ce mode opératoire est très onéreux, étant donné qu'on ne peut recouvrir simultanément qu'un petit nombre de pastilles cristalli-20 nés. Le brevet allemand n° 1 046 785 a fait connaître, sous le nom de "Procédé Paint-on", un procédé qui convient mieux pour la fabrication de composants à semiconducteurs ayant une grande surface car sa mise en oeuvre est bon marché et ne néces-25 site pas de dépense trop élevée. Dans ce procédé, on dépose sur la surface du cristal semiconducteur un composé susceptible de vitrification, connu en soi et contenant la substance dopante, sous la forme d'une pate, ledit composé étant séché et pénétrant par diffusion à travers la surface considérée. Il se produit 3° ainsi, à la surface du cristal semiconducteur, sous la partie vitrifiée, une zone ayant le type de conductivité correspondant de la substance dopante. Ce procédé a cependant l'inconvénient selon lequel on ne peut obtenir qu'un dopage du type p ou qu'un dopage du 35 type n sur une face de la pastille de cristal semiconducteur et on ne peut obtenir que difficilement une combinaison des deux dopages l'un a côté de l'autre, comme cela est souvent nécessaire dans la fabrication des transistors. En outre, on obtient très souvent des composants présentant une grande dispersion dans 40 leurs paramètres électriques, lorsqu'on utilise le procédé 69 43696 2 2026659 "Paint-on", les épaisseurs des couches n'étant pas uniformes. Le procédé conforme à l'invention propose de fabriquer, d'une façon simple et rationnelle, par diffusion, des composants à semiconducteurs en silicium, et notamment des tran-5 sistors, comportant des zones situées les unes à côté des autres et ayant des types de conductivité différents, en utilisant des substances solides, déposées sur la surface du cristal semiconducteur et contenant la substance dopante. Le procédé conforme à l'invention est caractérisé 10 par le fait qu'on utilise comme substance solide au moins une couche de nickel contenant la substance dopante considérée, qu'on dépose chimiquement, d'une façon sélective ou bien sur toute la surface, ladite couche de nickel, y compris la substance dopante qu'elle contient, sur les zones de la surface du cristal 15 semiconducteur prévues pour la diffusion, et qu'on obtient les zones de types de conductivité différents en utilisant les couches de nickel contenant les substances dopantes considérées comme sources de substance dopante. Le procédé conforme a l'invention est également 20 caractérisé par le fait qu'on dépose plusieurs couches de nickel ayant des dopages ou des épaisseurs différents, les unes à côté des autres et/ou les unes sur les autres de façon à obtenir simultanément, lors de la diffusion ultérieure dans le corps semiconducteur, des dopages adjacents différents du point de vue 25 de leur concentration ou de leur type de conductivité. Dans une variante du procédé conforme a l'invention, on prévoit de régler la teneur en substance dopante de la couche de nickel à 3 à 1O0£. Conformément à l'invention, on dépose avec la couche de nickel, du phosphore pour obtenir une zone dopée 30 du type n et on dépose du bore pour obtenir une zone dopée du type p. Suivant un exemple de réalisation, on dépose la couche de nickel, contenant la substance dopante, sur une épaisseur d'environ 0,2 u. En modifiant l'épaisseur de la couche ou des cou-35 ches de nickel, on peut également modifier la quantité de substance dopante déposée (bore ou phosphore). Le procédé conforme à l'invention est également caractérisé par le fait qu'on réalise le processus de diffusion en deux étapes, les pastilles cristallines étant d'abord diffusées, 40 en utilisant des entretoises entre lesdites pastilles, jusqu'à ce 69 43696 3 2026659 qu'aucune phase fluide ne soit plus présente sur la surface du silicium, la diffusion résiduelle étant ensuite réalisée avec des pastilles de cristal serrées les unes contre les autres sans écartement entre elles. Dans la première étape du procédé, les 5 pastilles de cristal sont placées sur un support de sorte qu'un écartement est maintenu et qu'elles ne se collent pas entre elles par la phase liquide qui se forme par la couche de nickel et le silicium. La diffusion résiduelle peut être alors réalisée en stockant les pastilles sans intervalles entre elles ; cela permet 10 une utilisation sensiblement meilleure de l'installation de diffusion. Pour la première partie de la diffusion, 60 minutes à une température de 1 250°C dans une atmosphère de gaz inertes ou dans l'air suffisent. 15 Un autre avantage du procédé conforme à l'invention réside dans le fait qu'un nickelage est réalisé en même temps que le dopage de sorte que, pour la diffusion ultérieure, la durée de vie des porteurs de charge minoritaires reste beaucoup plus élevée que dans le cas où il n'y a pas de nickel. De plus, 20 la réalisation ultérieure du contact des zones correspondantes en est sensiblement facilitée. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé un mode d'exécution du procédé selon l'invention. 25 On considère d'abord les figures 1 à 4, sur lesquelles sont représentées les diverses étapes de la fabrication par diffusion d'un transistor au silicium npn conformément à l'invention. Sur la figure 1, on part d'une pastille de cristal de silicium 1, dopée du type p, qui est recouverte d'une couche 2 de 30 Si02 par un processus d'oxydation qui intéresse toute la surface. Puis le dispositif, comme représenté sur la figure 2, est débarrassé de la couche de Si02> en utilisant la technique connue du décapage photochimique, aux endroits sur lesquels on doit déposer une couche de nickel. Le cristal initial dopé du type p est à nou-35 veau désigné par 1, tandis que le restant de la couche d'oxyde est désigné par 2, et que la couche de nickel, déposée en supplément, dopée par du phosphore (la teneur en phosphore de ladite couche est comprise entre 3 et lofé) est disignée par 3 sur la face supérieure de la pastille de cristal et par 4 sur la face infé-^ rieure de celle-ci. On effectue le dépôt de cette couche de nickel 69 43696 4 2026659 par voie chimique humide sur une épaisseur de 0,2u • On traite à cet effet le dispositif, revêtu partiellement de la couche d'oxyde, à 90°C, avec une solution de sulfate de nickel ammoniacal, contenant des additions d'hypophosphure de sodium et du 5 citrate d'hydrogène diamine, ce qui provoque le dépôt d'une couche de nickel (3,4) uniquement sur les surfaces libres du cristal. Sur la figure 3, on a représenté le dispositif après que la couche de Si02» désignée par 2 sur la figure 2, a été complètement enlevée. Ensuite, on recouvre le dispositif complet 10 (1,3,4) d'une seconde couche de nickel 5, contenant du bore comme substance dopante. Le dépôt de cette couche de nickel s'effectue aussi par voie chimique humide, en traitant la pastille de cristal 1, pourvue des premières couches de nickel 3 et 4, à 67®C avec une solution de sulfate de nickel ammoniacal, contenant des addi-15 tions de borate de sodium, du borhydrate de sodium et du citrate d'hydrogène diamine. L'épaisseur de la couche de nickel 5 ou sa teneur en bore est réglée pour que, lors de la diffusion ultérieure, le nombre des défauts dans les zones 6 et 7 (voir figure 4), issus de la couche 5 et pénétrant par diffusion dans le cris-20 tal semiconducteur, soit petit par rapport au nombre des défauts issus des couches 3 et 4. La figure 4 représente le dispositif formant transistor après le processus de diffusion réalisé dans l'intervalle de températures 1000-1300°C en utilisant les couches de nickel do-25 pées comme sources de diffusion. Le repère 1 désigne la zone, dopée du type p, formant la base. Les repères 6 et 7 désignent + respectivement la zone, dopée du type n , formant l'émetteur réalisé par diffusion et la zone formant le collecteur. Le repère 8 désigne la zone, plus fortement dopée du type p+, obtenue à 30 partir de la couche de nickel dopée par du bore et qui facilite, comme les zones 6 et 7, la métallisation des contacts non redresseurs des différentes zones. Après la pose des contacts métalliques, la pastille de cristal, sur laquelle est placé un grand nombre de dispositifs identiques, est divisée en différentes uni-35 tés, qui sont ensuite envoyées au montage. Les figures 5 à 8 montrent un autre exemple de réalisation conforme à l'invention. Comme représenté dans la figure 5, on part aussi d'un disque de cristal de s licium 11, dopé du type p. On recouvre par voie chimique humide ce disque de cristal 11» c'est-à-dire sans courant, sur toute sa surface par une couche 69 43696 5 2026659 de nickel 12, dopée par du phosphore, sur une épaisseur de 0,2y , comme cela a déjà été décrit dans le premier exemple de réalisation. Puis, comme représenté en figure 6, on enlève la 5 couche de nickel dopée par du phosphore, suivant les étapes connues du processus de décapage sélectif, à l'exception des couches de nickel 13 et 14 destinées à former l'émetteur et le collecteur du transistor, la couche de protection 15 déposée sur ces couches de nickel et constituée par exemple par une laque photosensible, 10 une cire ou une picéine ou par une couche d'oxyde ou de nitrure, restant pour servir de masque pour un dépôt supplémentaire de nickel. La figure 7 montre le même dispositif que celui de la figure 6, dans lequel une seconde couche supplémentaire de nic-15 kel 16 est déposée sur la surface libre, ladite couche 16 étant dopée à 5% par du bore et étant formée de la façon déjà décrite dans le cas du premier exemple de réalisation. La figure 8 montre le dispositif formant transistor, obtenu après le processus de diffusion réalisé dans l'intervalle 20 de températures 1000°-1300°C, en utilisant les deux couches de nickel comme sources de diffusion. Le repère 11 désigne la zone, dopée du type p, formant la base. Les repères 17 et 18 désignent respectivement la zone, dopée du type n , formant l'emetteur et la zone, dopée du type n+, formant le collecteur. Le repère 19 25 désigne la zone, plus fortement dopée du type p+, obtenue à partir de la couche de nickel dopée par du bore, et par l'intermédiaire de laquelle on pourvoit de son contact la zone formant la base. La suite de l'élaboration s'effectue comme décrit dans le cas de l'exemple de réalisation 1. 30 Les figures 9 à 12 illustrent les différentes étapes de la fabrication d'un transistor npn par diffusion. On part pour cela d'une pastille de cristal de silicium 21, dopée du type n, comme représenté sur la figure 9, ladite pastille 21 étant recouverte sur toute ses faces d'une couche de nickel 22, dopée 35 du type p (comme cela a déjà été décrit). Ensuite, comme il ressort de la figure 10, on réalise la zone 23, dopée du type p, par un processus de diffusion, et on recouvre l'ensemble du dispositif d'une couche de Si02 24, dans laquelle on réalise une fenêtre par corrosion, dans la zone 25, suivant le mode opératoire connu ^ de la technique du décapage photochimique. 69 43696 6 2026659 On dépose ensuite la seconde couche de nickel 26, dopée par du phosphore, dans ladite fenêtre 25 comme cela a déjà été décrit dans l'exemple de réalisation 1 (voir figure 11). On a utilisé sur cette figure 11 les mêmes repères que sur les fieras 5 9 et 10. La figure 12 montre le dispositif formant transistor après le processus de diffusion (effectué éventuellement en deux temps, lorsqu'une utilisation maximale de l'installation de diffusion est nécessaire), réalisé dans l'intervalle de températures 10 1000-1400°C. Le repère 27 désigne la zone conductrice du typy n+ formée en utilisant la couche de nickel, dopée par du ph 15 Avant de poursuivre l'élaboration, on corrode ou on décape le dispositif entier depuis sa face inférieure, jusqu'à la partie délimitée par le trait mixte, de sorte que la zone il, dopée du type n, soit dégagée pour servir de collecteur et puisse être équipée d'une couche métallique de contact. La transfortaa-20 tion ultérieure s'effectue comme cela a été déjà décrit dans 1s cas des exemples de réalisation 1 et 2. 69 43696 7 2026659 - REVENDICATIONS— 1. Procédé pour fabriquer des composants à semiconducteurs, dont la matière de base est en silicium, et qui comportent au moins deux zones de types de conductivité diffé- 5 rents, obtenues par diffusion, du type dans lequel on réalise la diffusion des différentes zones à partir de substances solides, contenant la substance dopante et déposées sur la surface du cristal semiconducteur, caractérisé par le fait qu'on utilise comme substance solide au moins une couche de nickel contenant 10 la substance dopante considérée, qu'on dépose chimiquement, d'une façon sélective ou bien sur toute la surface, ladite couche de nickel, y compris la substance dopante qu'elle contient, sur les zones de la surface du cristal semiconducteur prévues pour la diffusion, et qu'on obtient les zones de types de conductivité 15 différents en utilisant les couches de nickel contenant les substances dopantes considérées comme sources de substance dopante . 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on dépose plusieurs couches de nickel ayant des 20 dopages ou des épaisseurs différents, les unes à côté des autres et/ou les unes sur les autres de façon à obtenir simultanément, lors de la diffusion ultérieure dans le corps semiconducteur, des dopages adjacents différents du point de vue de leur concentration ou de leur type de conductivité. 25 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caracté risé par le fait qu'on règle la teneur en substance dopante de la couche de nickel à 3 à 10%. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, caractérisé par le fait qu'on dépose, avec la 30 couche de nickel soit du phosphore pour obtenir une zone dopée du type n, soit du bore pour obtenir une zone dopée du type p. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, caractérisé par le fait qu'on dépose la couche de nickel contenant la substance dopante sur une épaisseur d'environ 0,2 v. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, caractérisé par le fait qu'on réalise le processus de diffusion en deux étapes, lès pastilles cristallines étant d'abord diffusées, en utilisant das entretoises entre les dites pastilles, jusqu'à ce qu'aucune phase fluide ne soit plus 40 69 43696 8 2026659 présente sur la surface du silicium, la diffusion résiduelle étant ensuite réalisée avec des pastilles de cristal serrées les unes contre les autres sans écartement entre elles. 7. Composant à semiconducteurs, notamment transis-5 tor au silicium du type pnp ou npn, caractérisé par le fait qu'il est fabriqué à l'aide du procédé suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6.