Brevet FR2076037A1 — publié le 19711015

La presente invention concerne le traitement par diffusion-en capsule. Dieux types de systemes de base ont été utilisés pour réaliser la diffusion dwune impureté déterminant le type de conductivité dans un corps semiconducteur. Ces deux systèmes sont connus respectivement sous le nom de systeme "à tube fermé" et de système "à tube ouvert". La présente invention concerne le système "à tube fermé" dans lequel le corps semiconducteur est enfermé dans une capsule fermée réalisée à partir d'un matériau résistant à des températures élevées. Naturellement, l'impureté déterminant le type de conductivité est également enfermée dans ledit système avant que le récipient ne soit rendu étanche à l'atmosphère. Typiquement, l'impureté déterminant le type de conductivité est présente ocmme une impureté dopée dans une masse granuleuse séparée et du meme matériau que celui composant le corps semiconducteur. Puis le rficipient tou capsule) est chauffé à une température appropriée afin de vaporiser l'impureté déterminant le type de conductivité et réaliser la diffusion de l'impureté dans le corps semiconducteur. L'un des avantages principaux du système à tube fermé consiste dans le fait qu'une fois l'intérieur de la capsule purifié, on maintient cette pûreté pendant tout le traitement de diffusion. De plus le système à tube fermé est isolé pratiquement des changements ambiants pendant ledit traitement c'est-à-dire que le système est isolé de l'environnement ambiant et peut fonctionner sans perturbation pendant toute la durée de l'opération de traitement. Naturellement, les inconvénients du système à tube fermé résident dans le fait que l'obtention d'un intérieur de capsule d'une pureté élevée est difficile, et de plus qu la capsule ne peut entre utilise qu'une seule fois puisqu'elle est détruite lors de l'ouverture. Ainsi, l'art de la diffusion en capsule est bien connu. Cependant, de telles diffusions en capsule ont entrainées l'utilisation de deux types différents de sources et d'étapes de diffusion séparées pour chaque impureté ou matériau déterminant le type de conductivité. Oe plus. bien que l'art antérieur ait utilisé des sources dans lesquelles deux types différents d'impQretés sont présents dans la mème source, par exemple, dans le brevet des E.U.A nO 3 178 798, dans ce type d'art antérieur, les procédés concernés ont toujours consisté à faire croître directement en phase vapeur un semiconducteur, dans lesquels des systèmes de transport par halogène sont utilisés et dans lesquels des vapeurs d'halogènure combinées sont formées. L'art antérieur a de plus mis en pratique des procédés par diffusion daUbigF Cependant, art antérieur a toujours utilisé une couche d'oxyde dopé sur la'substrat du semiconducteur et la diffusion d'un diffuseur rapide tel que l'aluminium dans la masse du semiconducteur par la couche d'oxyde dopée. a présente invention élimine naturellement les inconvénients rencontrés dans chacun des cas précédents. Par exemple, en ce qui concerne la source contenant une impureté unique, la présente invention permet l'utilisation d'une seule source pour une double diffusion simultanée, En ce qui concerne l'art antérieur utilisant une source contenant une double impureté, la présente invention fournit une nouvelle application pour une source contenant une double impureté, l'art antérieur ne permettant que la croissance de semiconducteurs en soi, et non la formation de dispositifs actif s. Par rapport aux procédés de double diffusions de l'art antérieur, la présente invention ne nécessite pas qu'un oxyde dopé par une impOreté soit formée avant la diffusion. La présente invention permet essentiellement que, par l'utilisation d'une source unique contenant une double impureté, les impuretés ayant des vitesses de diffusion significativement différentes, de former à la fois les régions éméttrices et de base dans un dispositif semiconducteur actif, dans un cycle thermique ou une étape de diffusion unique dans ledit nouveau procédé de diffusion en capsulede la présente invention. Dans une réalisation particulière une source homogénétsée contenant une double importé est utilisée. En conséquence, un objet de la présente invention est de fournir un nouveau procédé à capsule ou à "tube fermé". Un autre objet de la présente invention est de fournir un procédé de diffusion en capsule dans lequel une source unique contenant au moins deux impflrétés différentes est utilisée. Un autre objet de la présente invention est ds fournir un procédé permettant de former des dispositifs semiconducteurs actifs dans lesquels à la fois les régions émettrices et ds base peuvent être formées par un cycle thermique unique utilisant une source à impureté unique. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 représente schématiquement le procédé de diffusion sn capsule de le présente invention. La figure-2 est une vue en coupe d'un substrat qui a été diffusé avec une source unique contenant deux impuretés ou plus suivant la présente inven tion. La figure 3 est un schéma d'un dispositif d'homogénéisation à tube fermé pouvant Autre utilisé avec la présente invention. La présente invention fournit une méthode permettant la diffusion simultante des régions éméttrices et de base d'un dispositif semiconducteur pendant un cycle thermique unique. L'art antérieur a déjà été traité et on conviendra que la présente invention fournit plusieurs avantages par rapport à celui-ci. Le changement essen tiel comprend naturellement, l'utilisation d'une source de diffusion en capsule contenant à la fois un dopant de type N et un dopant de type P, et l'utilisation ultérieure de cette poudre source pendant une diffusion en capsule. Naturellement, les deux importés ou plus, peuvent autre touts deux de type N ou de type P, ou deux de types N et une de type P, etc.. Les concentrations des impflretés dans la poudre source seront naturellement déterminées basiquement par les exigences de la structure du dispositif, par exemple CO, Xj, etc... On appréciera de plus que bien que le bore et l'arsenic soient les impG- retés discutées dans l'exemple suivant, d'autres impuretés P et N peuvent métra utilisées. Et bien que le silicium soit le substrat semiconducteur utilisé dans l'exemple suivant, il est évidant que d'autres matériaux semiconducteurs peuvent entre utilisés. Finalement, bien qu'une source en poudre ou en granulés soit présentée dans l'exemple suivant, il est évident que des boulettes, des pastilles, etc... peuvent entre utilisées en remplacement du granulé. Le granulé ou la poudre est utilisé dans cet exemple uniquement en raison du fait qu'on a constaté que cette forme est la source la plus pratique en ce qui concerne la présentation d'une plus importante surface à l'atmosphère de diffusion. Cspendant, il est important dans la pratique de l'invention que les impuretés du semiconducteur utilisées ont une vitesse de diffusion substantiellement différentes. On a généralement constaté que la vitesse de diffusion des deux impOretés doit différer suivant un facteur d'au moins 2. Le fait deviendra plus claire après lecture de l'exemple. En supposant que la différence de vitesse de diffusion ci-dessus soit obtenue, les impuretés de type P données à titre d'exemple, qui peuvent autre utilisées sont le bore et le gallium. De plus, des impuretés de type N données à titre d'exemple qui peuvent entre utilisées sont le phosphore, l'arsenic et l'antimoine. Des substrats donnés à titre d'exemple peuvent filtre le silicium et le germanium. I1 est inutile de dire que les semiconducteurs élémentaires, les semiconducteurs composés II-IV et III-V peuvent entre utilisés. La combinaison semiconducteur et/ou impureté exacte n'est pas importante aussi long temps que la différence de vitesse de diffusion est obtenue. Typfflquement, lorsqus les lmptretés sont de type N et de type P, la concentration des impuretés dans la poudre source sera i'lntérieur de la gamme 2 x 1020 atomes/cm à 5 x 1019 atomes/cm respectivement. Ainsi, la concentration d'impûreté totale de la poudre source sera la somme de ces deux ou 2,5 x 10 atomesScm3. Four les combinaisons N-N ou P-P, des valeurs similaires sont applicables. Il est inutile de dire que l'invention pourrait être utilisée pour former des dispositifs N-P-N et des dispositifs P-N-P. De plus, an supposant que pour une raison quelconque, on désire former une région compensée, et que l'on désire utiliser des matériaux ayant une vitesse de diffusion pratiquement égale, on pourra former une grande variété de dispositifs. La présente invention sera maintenant illustrée à laide de l'exemple suivant. On se référera à la figure 1 qui représente une forme schématique du dispositif utilisé pour la pratique de la présente invention. Le repère 1 représente la capsule qui est formée d'une manière typique dans un matériau à point de fusion élevé tel que le quartz. Pour appliquer la chaleur au système à tube fermé, plusieurs enroulements 2 raccordés à une source d'alimentation appropriée, non représentée, peuvent entre utilisés. Dans le dessin, la source oc-dopée est représentée par le numéro de référence 3. Cette source est de la forme d'un matériau à grains fins passe au tamis 100 à 400. Dans ce cas, la source co-dopée était formée en dopant du silicium intrinsèque avec de l'arsenic et du bore à une concentration d'arsenic de 2 x 1020 atomes/cm3 st à une concentration de bore de 5 x 1019 atomes/cm3, pour une concentration totale de 2,5 x 1020 atomes/cm3. Une tranche de silicium de type N 4 ayant un diamètre de 31,75mm st une resistivité de 5 ohms-cm est placée dans la capsule 1, puis, la tranche de silicium et la source co-dopée étant installés, la capsule 1 est fermée.Dans ce cas particulier, pour le silicium de type N avec la zone indiquée, approximativement 5gr de source co-dopés fursnt utilisés. L'épaisseur du silicium n'a pas à autre considérée dans le cas présent, mais le silicium avait une épaisseur de 0,2mm. La source fflt préparée dans cet exemple par le mélange mécanique de poudre de silicium intrinsèque dopée à l'arsenic et de poudre de silicium intrinsèque dopée au silicium. Ce mélange fot placé dans une capsule sn quartz et chauffé. La vapeur de bore se diffusa à partir des particules contenant du bore et se distribua uniformément dans toute la masse de poudre totale. L'srsenic se vaporisa à partir des poudres de silicium contenant de l'arsenic et se distribua dans toute la masse de poudre totale Après que les concen trations indiquass aient été atteintes, le chauffage fbt stoppé et le matériau source à double dopage extrait de la capsule de quartz. Les techniques utilisées pour le formage de la source dopée comportant les mêmes cycles thermiques que calles de l'art antérieur pour les sources à dopage unique. Si on le désire, une autre solution possible au problème ci-dessus consiste à introduire du silicium intrinsèque, du bore élémentaire et de l'arsenic élémentaire dans une capsule de quartz, à évacuer la capsule, à fermer et à chauffer la capsule. Le bore et l'arsenic se vaporisent et se distribuent d'euxrn8mes dans le silicium. Après sa fermeture, la capsule est introduite dans les enroulements formant four 2 qui sont alimentés et contrôlés pour maintenir une température de 10000C. Ainsi, la source et la pastille sont chauffées simultanément, et atteignent finalement une température identique. Après la cuisson aux températures indiquées pendant 30 minutes approxi mativement, des conditions d'état permanent sont atteintes dans la capsule, Après que les conditions d'état permanent aient été atteintes, la cuisson est continuée pendant 55 minutes approximativement après quoi le tube est extrait du système. L'extraction de la pastille de silicium de la capsule présente une jonction formée à l'intersection de la zone de bore et de la zone d'arsenic, le bore étant diffusé à une profondeur de 30 microns et l'arsenic étant diffusé à une profondeur ds 25 microns. Le bore étant diffusé à une profondeur plus importante que l'arsenic, il est évident qu'au moins une jonction apparaitra. Dn voit ainsi la raison pour laquelle il est nécessaire que l'une des impuretés ait une vitesse de diffusion substantiellemant plus importante que l'autre. Si il n'en était pas ainsi, la diffusion serait alors la même dans les deux cas et il serait impossible de former une jonction puisqu'il est nécessaire pour cela qu'une impûrsté se diffuse d'une manière plus importante que l'autre impureté. Une jonction est, dans ces conditions représentée dans la figure 2 des dessins. Il est évident que la zone plus importante représente l'impureté de diffusion la plus rapides, dans ce cas le bore, et que la zone plus petite 9 représente l'arsenic qui est l'impureté ds diffusion la plus lente. Il est évident que pour former un dispositif utile comme représenté dans la figure 2, le substrat en silicium 5 devra être recouvert d'un masque résistant aux impflretés 6, par exemple. du dioxyde de silicium et l'impureté étant diffusée sélectivement au travers du trou 7 dans le masque dans le silicium. Par ce moyen, la base a et l'émetteur 9 sont facilement formés. Par exemple, dans le cas prisent, la base, après des contacts appropriés, sera la zone diffusée de bors, tandis que la zone intérieure plus petite formée par l'arsenic sera l'émetteur Ctest une zone plus petite naturellement, puis4u'ellc ne se diffuse pas aussi rapidement que le bore. Nous allons wai-ntenant passer à l'exemple 2 Dans l'exemple I une source co-dopee était utilisée et était formée par un procédé similaire à GBUX de l'art antérieur permettant de former des sources à dopage unique excepte que deux dopants furent utilisés. L'exemple suivant traite de l'utilisation d'une source à double dopage homogénéisée. Le concept de base de l'homogeneisation est traité dans la demande de brevet nO 7011056 déposé en France par la demanderesse le 26 Mars 1970. Fondamentalementj cependant, l'art antérieur a connu trois procédés principaux de fabrication de matériau source unique. Par exemple, en utilisant l'arsenic comme impDreté unique, un mélange d'arsenic et de silicium pourrait entre chauffé pou- amener une diffusion d'arsenic dans le silicium. Dans une autre méthode, une quantité mesurée d'arsenic peut entre dissoute dans du silicium fondu, on laisse fondre l'arsenic et on gel le mélange. Ceci est appelé une source "gelée'. Dans une méthode finale, une source cristal unique peut être tirée d'un mélange fondu de silicium et d'arsenic et pulvérisée en particules.Chacune des techniques ci-dessus donne une source qui en raison de sa nature multiphases. ne donne pas des processus de fabrication de dispositifs qui soient reproductibles. Ainsi, chaque source nécessite un jeu différent de conditions de diffusion. En homogénéisation, une source à double dopage est prévue, ce qui permet l'obtention de résultats reproductibles sur des bases très élevées. Essentiellement, une source est produite qui permet d'approcher des conditions d'équilibre pendant les étapes de fabrication des dispositifs. Par l'homogénéisation, on s'assure que la pression de vapeur ou la concentration de vapeur d'une impureté de dopage demeure constante pendant une période de temps qui dépasse le temps de diffusion normal. Pratiquement,-ceci est réalisé en préparant une source par chauffage du matériau choisi pour être la base de la source, généralement du silicium, dans une vapeur du dopant et pour une période de temps excédant largement les temps de diffusion normaux c'est-à-dire 50 heures ou plus. Dans l'exemple suivant qui traite de la préparation d'une source homogé néisée, la vapeur d'arsenic à partir de la source principale dopée à l'arsenic diffuse dans la source dopée au bore (qui est homogénéisée) et vice versa pour produire une source homogénéisée co-dopée finale dans laquelle des impD- retés seront réparties uniformément parmi les particules de silicium et dans laquelle une pression de vapeur de dopants pratiquement constante peut entre obtenue sur une base reproductible pendant la fabrication du dispositif. En formant une source homogénéisée co-dopée avec du bore et de l'arsenic la première étape consiste à former uns source de diffusion homogène contenant un pourcentage atomique de bore ds 0,3%. Ceci est préparé an combinant 0,33gr de bore avec 28Dgr de silicium finement divisé. Le mélange fût effectué avec soins et placé dans une capsule puis chauffé à 10500C pendant 50 heures. La cuisson fût réalisée dans un four à zone unique connu dans l'art antérieur puisque la pression de vapeur ds bore est relativement faible. Ceci est une source dopante unique homogénéisés. Une source de diffusion co-dopée hcmogénéisée, suivant la présente invention et qui contienne du bore et de l'arsenic, ce que l'on peut appeler une 'source principale" d'arsenic est maintenant préparée. Celle-ci comprendra une pourcentage atomique d'arsenic de 10%. Le silicium intrinsèque est pulvérisé en particules ds moins de 149 microns. 252 gr de poudre de silicium sont chargés dans la partie 11 de la capsule en quartz du type représenté dans la figure 3. 75 gr d'arsenic élémentaire sont chargés dans la partie 12 de la capsule. La partie 12 est chauffée à 600 C pendant 8 heures et à 6250C pendant 16 heures. La partie Il est maintenue à une température de 10509C pour une période complète de 24 heures.La figure 3 est une représentation schématique d'un appareil approprié pour effectuer la méthode d'homogénéisation de la présente invention. Le repère 10 représente la capsule allongée. La capsule préférée est en quartz et comporte deux chambres 11 et 12 jointes par un tube plus petit 14. Typiqusment, la capsule 10 est amenés à une faible pression, de préférence inférieure à 5 x 10- 6 mm de mercure. La référence 15 représente un four à deux zones. Le gradient de température sur le four est représenté shematiquement sur la figure 3. A la suite de période de cuisson, 32,7 gr de la source principale résultants sont séparés st combinés avec les 280,33 gr de poudre de silicium dopé au bore et finement divisée obtenue comme indiqué précédemment. Le mélange est effectué avec soin et placé dans une capsule à simple unité et chauffé à 1050 C pendent 50 heures. Le source résultante, qui est homogénéisée, contient approximativement un pourcentage atomique d'arsenic de 1% et approximativement un pourcentage atomique de bore de 0,3%. Cette source peut entre utilisée comme dans l'exemple 1. La source de diffusion homogène copmprend ainsi: un alliage ternaire (Si-As-6) qui comprend au moins un matériau semiconducteur (Si) et au moins deux dopants vaporisables (As et 6) pour des semiconducteurs présents dans une phase solide unique. Le silicium est un solvant et les impuretés, ici As et 6, peuvent Entre considérées comme des produits dissous. A partir de ce qui précède, il est évident que non seulement des impuretés de type P st N peuvent strie utilisées ensemble, mais que les deux types d'impureté peuvent être du type N ou les deux types d'imp0reté peuvent strie du type P. De plus > plus de deux impuretés peuvent être utilisées, bien qu'il soit évident que en général, deux impuretés différentes suffisent. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré 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 utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDiCATIONS 1.- Procédé de production simultané de régions émetteur et de base dans un dispositif semiconducteur caractérisé en ce qu'il comporte: la cuisson dans un environnement clos d'un bloc semiconducteur et d'un matériau source comprenant un semiconducteur dopé avec au moins deux impuretés ayant des vitesses de diffusion substantiellemsnt différentes. 2.- Procédé de fabrication simultané de régions émetteur et de base dans un dispositif semiconducteur caractétisé en ce qu'il comporte: l'établissement d'une zone de cuisson et de vaporisation dans une capsule fermée, le positionnement d'un substrat semiconducteur dans une partie ds ladite capsules le positionnement d'une source de diffusion qui comprend un semiconducteur dopé avec deux types différents d'impureté ayant des vitesses de diffusion substantiellement différentes dansune autre partie de ladite capsuleJ la cuisson de ladite capsule à une certaine température afin de provoquer la vaporisation desdites impuretés de ladite source de diffusion, le maintient de la température de ladite source de diffusion au-dessus de ladite température pendant un temps suffisant pour permettre la diffusion desdites impuretés dans ledit substrat semiconducteur, la récupération du substrat semiconducteur ainsi dopé à partir de ladite capsule. 3.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite source de diffusion est une source de diffusion dopante homogèneisée. 4.- Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite source de diffusion est une source de diffusion dopante non homogèneisée. 5.- Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite source de diffusion dopante homogèneisée comprend du bore, de l'arsenic et du silicium. 6.- Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite source de diffusion dopante homogènersée est formée selon le procédé comprenant l'introduction dans un récipient d'une source de diffusion dopante homogè- neisée finement divisée comprenant du bore et du silicium et de plus l'introduction dans ledit récipient allongé d'une source principale comprenant de ltarssn1e et du silicium et la cuisson dudit bore, arsenic et silicium jusqu'à ce. qu'une condition d'équilibre substantielle soit établie à l'intérieur du récipient. 7.- Source de diffusion à double dopage homogèneisée caractérisée en ce qu'elle comprend: un alliage ternaire qui comprend au moins un matériau semiconducteur et au moins deux dopants vaporisables pour des matériaux semiconducteurs présents dans un état solide unique. a.- Source de diffusion suivant la revendication 7 caractérisée en ce que ledit alliags ternaire comprend de l'arsenic, du bore et du silicium. 9.- Source de diffusion homogène selon la revendication 7 caractérisée en ce que ledit alliage ternaire comprend de l'arsenic, du phosphore. et du silicium.