Brevet FR2099721A1 — publié le 19720317

L'invention concerne un procédé de préparation de tranches de semi-conducteur minces, comprenant les étapes consistant à déposer une pellicule épitaxiale de matière semi-conductrice sur un substrat semi-conducteur et à soumettre ensuite l'ensem-5 "ble résultant à une dissolution électrochimique de façon à dissoudre le substrat. Il y a bien des applications dans la fabrication des dispositifs semi-conducteurs, en particulier dans les dispositifs fonctionnant à haute fréquence, où il est nécessaire d'à-10 voir des tranches de matière relativement minces. On connaît un procédé dans lequel on a produit des tranches de semi- —"5 conducteur ultra minces (de 1 . 10 mm). On fait intervenir un processus d'attaque électrolytique sélective de façon qu'un substrat semi-conducteur de résistivité définie, porte, déposée 15 sur lui, une mince couche épitaxiale de la même matière, mais suffisamment dopée pour avoir une résistivité différente de celle de la matière du substrat. On soumet ensuite la matière du substrat à une dissolution électrochimique de façon à dissoudre le substrat qui laisse une mince tranche de semi-conducteur, 20 c'est-à-dire la matière déposée épitaxialement. Cependant, si l'on désire une tranche mince de semiconducteur ayant des régions dopées discrètes de conductivités différentes, le processus rappelé ci-dessus ne peut être employé lorsque ces régions discrètes de conductivités différentes ont 25 été obtenues par un processus de diffusion. On a trouvé dans le procédé d'amincissement électrochimique dont il a été question ci-dessus, appliqué à des pastilles de. silicium n/n+ qui ont des régions diffusées dopées n+ dans la couche n , ou des régions diffusées dopées p dans la couche n ,qui s'étendent 30 à travers la couche n jusqu'à la couche.-n+'ï que la matière de type n près des régions p ou en dessous de toute diffusion dopée n est lentement attaquée en conduisant à la suppression de la matière de type n et des régions diffusées. Un procédé dans lequel on peut employer l'amincissement électrochimique pour 35 obtenir des tranches minces de matière semi-conductrice ayant des régions dopées discrètes, de toute espèce de configurations, est donc très nécessaire. 71 23153 2 2099721 Suivant l'invention, on procure un procédé pour la préparation d'une tranche semi-conductrice mince, qui comprend les étapes consistant à déposer une pellicule épitaxiale de matière semi-conductrice sur un substrat semi-conducteur et à 5 soumettre ensuite l'ensemble obtenu à une dissolution électrochimique en sorte que le substrat soit dissous et où au moins une partie discrète de conductivité différente de celle de la pellicule épitaxiale y est formée en implantant des ions d'une • conductivité désirée dans la pellicule avant la dissolution 10 électrochimique du substrat et à traiter thermiquement la pellicule implantée d'ions, après la dissolution, pour activer ainsi les ions implantés. Le procédé consiste à exposer à une source d'implantation d'ions un bloc convenable de matière semi-conductrice, contenant au moins une première région d'un 15 premier type de conductivité et au moins une seconde région de conductivité différente qui subit une attaque électrochimique plus rapide que la première région.Le bloc peut comprendre une matière ayant des couches de conductivités différentes, ou il peut être constitué d'une pastille ou d'un bloc ayant des ré-20 gions conductrices discrètes ou des couches de matières différentes.Le bloc est soumis à la source d'implantation d'ions en sorte d'implanter des ions convenables dans au moins une partie discrète de la première région du premier type de conductivité. Les ions implantés sont ceux, bien connus dans la 2 5 technique, qui donneront, après activation subséquente, les 'parties ou régions dopées désirées mais qui, à ce moment, sont supposés se trouver dans des positions intersticielles de sorte qu' ils ie manifestent pas de propriétés d'accepteurs ou de donneurs. 3C On plonge ensuite le bloc implanté d'ions dans un bain convenable d'attaque électrochimique où l'on maintient une densité de courant suffisante pour attaquer sélectivement la seconde région pour former une tranche mince de matière du premier type de conduc+ivité, dans laquelle sont implantés des 35 ions convenables. On traite finalement à chaud la tranche mince pour activer les ions implantés en sorte qu'ils changent la conductivité des régions dans lesquelles ils sont contenus en 71 23153 3 2099721 formant ainsi des parties discrètes de conductivité différente, c'est-à-dire des parties ou des' régions convenablement dopées. - Sur les dessins s - La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un 5 bloc de matière sèmi-conductrice couverte drune couche passi-vante d'implantation d'ions et d'une couche de photoréserve formant masque ; - la figure 2 est "une coupe transversale du bloc de la figure 1 après qu'une partie de la couche passivante ait été 10 enlevée ? - la figure 3 est une vue en coupe transversale du bloc de la figure 2 après exposition à une source d'implantation d* ions ; - la figure 4 est une vue en coupe transversale du bloc 15 implanté d'ions contenu dans un appareil d'attaque électrochimique typique ; - la figure 5 est une vue en coupe transversale du bloc implanté d'ions, attaqué, dans l'appareil d'attaque électrochimique ; 20 - la figure 6 est une vue en coupe transversale de la tranche de semi-conducteur attaquée résultante après qu'elle ait été traitée à la chaleur suffisamment pour activer les ions implantés f - la figure 7 estune vue en coupe transversale d'une 25 tranche de semi-conducteur typique contenant des postions discrètes de conductivités différentes 5 - la figure 8 est une vue en coupe transversale d'une seconde tranche de semi-conducteur typique contenant des parties discrètes de conductivités différentes ; 30 - la figure 9 est une vue en coupe transversale d'un bloc particulier de matière semi-conductrice choisi . On a décrit la présente invention à propos de la fabrication de tranches minces de silicium possédant des régions dopées discrètes par l'emploi d'un développement épitaxial sur 35 un substrat de silicium. On comprendra toutefois que cette description a été faite dans le but d'exposer l'invention et ne limite pas celle-ci. On peut employer le procédé pour la fabri 71 28153 4 2099721 cation de tranches minces ou de tranches de dimensions quelconques d'un monocristal de semi-conducteur quelconque que l'on peut attaquer électivement par voie électrochimique. On comprendra facilement que le concept de l'invention s'applique 5 également à des matières semi-conductrices que l'on peut déposer épitaxialement soit comme homojonction , soit comme hétéro-jonction .On peut choisir les matières semi-conductrices parmi les composés des groupes III(a) - V(a) et II(b) - Vl(â) ou parmi les éléments du groupe IV de la Table Périodique des 1C Eléments telle qu'elle est présentée comme Table Périodique de Mendeleyev à la page 82 de la 45e édition du Handbook of Che-mistry and Physics, publié par Chemical Rubber Company. On se référera d'abord à la figure 1. On prépare un bloc de matière semi-conductrice 70. Ce bloc 70 comprend une 15 couche de base ou substrat convenable 71 qui peut être d'une matière semi-conductrice,par exemple du silicium n+. Une matière de substrat convenable doit pouvoir être attaquée électro-chimiquement. On dépose sur le substrat 71 une couche mince 72 d'une matière semi-conductrice d'une épaisseur comprise ty- *56 •* 20 piquement entre 1. 10 mm et 10 .10 mm, que l'on peut développer épitaxialement sur ce substrat en utilisant des techniques de croissance connues des cristaux en phase liquide ou en phase gazeuse. La matière du substrat 71 , par exemple du silicium n+, 25 est fortement dopée et a une résistance finie ; cependant, la couche 72 a été dopée pour lui donner une plus grande résistivité (par exemple en silicium de type n) ou c'est une autre matière ayant une autre résistivité. Sur la couche 72, on a déposé une couche de masquage con-3C venable 73 qui peut être obtenue par développement thermique ou formée par évaporation, projection ou par d'autres techniques connues. Une couche de masquage convenable préservera les régions souc-jacentes ■'e la couche 7., c'est-à-dire la couche sous-jacente 7', du bombardement ionique auquel on soumettra le 35 bloc 70. Suivant l'application particulière envisagée et la couche semi-conductrice 72 choisie, la couche de masquage 73 peut être un diélectrique inerte, par exemple de l'oxyde de 71 23153 5 2099721 silicium, de l'oxyde d'aluminium, du nitrure de silicium, ou une matière conductrice telle qu'un métal, par exemple de l'or, du platine, du nickel pu une combinaison de couch.es discrètes composées à la fois de diélectriques et de conducteurs» Ce-5 pendant, le type de couche passivante et son épaisseur ne font pas partie de 1'invention décrite ici, et les particularités de son choix et de son- épaisseur, qui sont bien connues des spécialistes , ne sont pas examinées ici. On applique à la couche de masquage 73 une photoréserve 10 normale, connue dans la. technique, pour former une couche de photoréserve 74. La couche de photoréserve 74 est formée comme un dessin par des moyens connus, de sorte qu'elle a une ouver~ ture 76. Il va de s.oi- que si elle ne présente qu'une ouverture, il ne s'agit là que d'une représentation et que l'on peut y 15 former plusieurs ouvertures ou réaliser n'importe quel dessin désiré mettant partiellement à nu la couche de masquage 73. On expose alors le bloc 70 à une. ambiance qui supprime la région dénudée 73(a) de la couche 73, mais qui n'attaque ni la couche de photoréserve 74, ni la couche 72.. Les caractéristiques de 20 l'ambiance dépendent naturellement de la matière de la couche de masquage choisie, ainsi que des couches.74 et. 72, et les spécialistes les détermineront facilement. La couche 72 a maintenant une région superficielle dénudée, la partie 72(a), comme montré à la figure 2. 25 On enlève la couche de photoréserve 74 par des moyens normaux connus dans la technique et on soumet le bloc 70 à une source normale d'implantation d'ions également connue, pour que des ions ou des impuretés convenables.soient implantées dans une partie discrète 72(b) de la couche 72, comme montré 30 à la figure 3. Des ions ou impuretés convenables sont des ions qui, après activation ou recuit subséquent, donnent des caractéristiques de conductivité différente à la partie discrète implantée, c'est-à-dire à la région 72(b) par comparaison avec la région volulineuse pu région 72. Les ions ou impuretés 35 changent la région semi-conductrice 72(b) en l'un ou l'autre type, ou en grandeur lorsqu'on active ensuite les ions implantés 5par exemple, lorsque la couche 72 est de silicium de type 71 28153 6 2099721 n, les impuretés ou les ions implantés peuvent changer la région ou partie discrète 72(b) en silicium n+ ou en silicium de type p , suivant naturellement les ions implantés utilisés. On remarquera ici que l'on peut commander la profondeur de 5 l'implantation, c'est-à-dire de la région 72(b), par la quantité d'énergie donnée aux ions pendant le bombardement du bloc 70. On se référera à présent à la figure 4 où. l'on enlève la couche de masquage 73 de la couche 72 en faisant agir l'am-10 biance prémentionnée qui n'attaque pas la couche 72. On remarquera que pour certaines applications , on peut conserver la couche de masquage 73 et qu'on peut la protéger convenablement ou la masquer à l'égard d'un bain d'attaque électrolytique auquel le bloc implanté 70 doit être soumis. On fixe le bloc 70 15 implanté d'ions , qui a des régions discrètes de conductivités différentes, c'est-à-dire le substrat 71,par exemple de silicium n+, avec la couche 72,par exemple de silicium de type n formé dessus, à l'endroit de la couche 72, à un support inerte 77» en utilisant un adhésif ou une cire convenable 78, par 20 exemple de la paraffine. Les supports inertes 77 et les adhésifs convenables 78 sont des matières qui sont inertes vis-à-vis des réactifs qui doivent être employés dans l'attaque électrochimique de la matière du substrat 71. Le support inerte 77 est fixé à son tour au moyen de la tige 79 fabriquée de la 25 même matière que le support 77, à un dispositif 81 normal de descente ou de plongée. On choisit un récipient convenable 82 fait d'une matière inerte qui ne réagit pas avec le bain de réactif électrochimique convenable 83. Un tel bain réactif convenable est capable 30 de conduire de l'électticité, c'est-à-dire qu'il est un électrolyte, et il est capable d'attaquer la matière de base choisie 71. Des électrodes typiques sont par exemple des solutions de LiOH, de K0H, de NaOH, d'acide fluorhydrique et d'acide chlorhydrique. On remarquera que la concentration de 35 1'électrolyte n'est pas critique. On place directement au-dessus du récipient 82 qui contient le bain de réactif d'attaque électrochimique 83 le bloc 7 1 O Q 1 Ç °» / i i «5^ 7 2099721 implanté d'ions 70 avec ses éléments de résitivités différentes, le substrat 71 et la couche implantée d'ions 72, ainsi que les moyens de plongée 81. On plonge une électride auxiliaire convenable 84 dans 11 électrolyte 83. L'électrode convenable .84 5 est une électrode inerte qui ne réagit pas avec le liquide électrolyte 83 choisi. On voit que l'électrode 84 est reliée par des moyens 86 au pôle négatif d'une source de courant continu 87» par exemple d'une batterie. On relie le substrat 71 et la couche 72, par des moyens 88, au pôle positif de la.sour-10 ce de courant continu 87» la connexion se faisant à l'endroit de la jonction 89 du substrat 71 et de la couche 72. On comprend, bien entendu, que les connexions 86, 88 sont masquées convenablement pour empêcher leur réaction avec 1*électrolyte 83. 15 Le bloc implanté d'ions 70 composé de la région de subs trat 71 et de la région 72 de plus grande résistivité, dans la partie discrète 72(b) de laquelle on a implanté des ions, est rendu électriquement positif par rapport à l'électrode 84. Le moyen de plongée 81 fait alors descendre l'ensemble du support 20 77 et du bloc 70 dans le bain de réactif électrochimique 83. On applique alors une tension au substrat 71 et à la couche 72 pour établir une densité de courant suffisante dans le bain électrochimique 83. La densité de courant établie est suffisante pour attaquer par voie électrochimique, sélectivement, 25 la région 71, c'est-à-dire la matière de plus grande conductivité, à une vitesse plus grande, en l'espèce dix fois plus grande, que la matière de moindre conductivité, c'est-à-dire la couche 72. En l'espèce, la densité de courant va de 40 à 100 mA/cm à 25°C lorsqu'on attaque le silicium avec de l'acide 30 fluorhydrique à 5$. On maintient l'ensemble du support 77 et du bloc 70 dans le bain 83 pendant un temps suffisant pour enlever toute la région du substrat 71? en sorte que soit formée une tranche mince, par exemple la couche 72 dans laquelle sont implantés des ions ou impuretés convenables à l'endroit d'une 35 partie discrète 72(b), comme montré à la figure 5. On extrait la tranche mince implantée d'ions 72 ainsi obtenue de l'appareil d'attaque électrochimique et on la s ou- 71 23153 8 2099721 met ensuite à un traitement thermique bien connu qui active les ions implantés. On procède au traitement thermique à une température sensiblement inférieure au point de fusion du cristal intéressé, c'est-à-dire de la couche ou tranche semi-5 conductrice 72 pendant une durée suffisante pour corriger tous les défauts du réseau produits par le bombardement ionique, et puur activer les ions implantés. En fait, on exécute le traitement thermique ou recuit à une température de l'ordre de 700°C ou de 1100°C lorsque le silicium est la matière semi-10 conductrice utilisée, les ions activés changent maintenant la conductivité de la partie 72(b), c'est-à-dire la conductivité du corps semi-conducteur embrassé par la partie 72(b). Par exemple, du silicium de type n est changé en silicium de type p ou est changé en grandeur en silicium de type n+ en formant 15 ainsi une partie dopée discrète 72(c) de conductivité différente, comme montré à la figure 6. On comprend, bien entendu, que les profils de dopage, c'est-à-dire les parties discrètes de la tranche de semiconducteur mince qui ont des conductivités différentes, 20 peuvent être commandées dans les trois dimensions en modulant l'énergie de courant et la position du faisceau d'ions, ainsi qu'en faisant appel à des techniques de masquage convenables. On comprend également que l'on peut, au mqyen du procédé selon l'invention, obtenir des couches semi-conductrices différentes 25 ayant des parties discrètes de conductivité de type différent . C'est ce que représente la figure 7 où. l'on voit une tranche mince 72 de matière semi-conductrice, par exemple de silicium, ayant une première partie 92 d'une conductivité donnée, par exemple de silicium n+r et une seconde partie 93 de conduc-30 tivité différente , qui diffère par son type de la première partie 92 et qui est faite par exemple de silicium de type p. On remarquera aussi qu'avec le procédé selon l'invention, que l'on a décrit, il est possible maintenant d'obtenir une partie discrète de conductivité différente, par exemple de silicium de 35 type p, dans une tranche mince de matière semi-conductrice, par exemple de silicium de type n, qui s'étend complètement autour de la couche déposée épitaxialement (couche 72, figure 3). C'est 71 28150 9 2099721 ce qui est visible à la figure 7 où la partie 93 s'étend complètement à travers la tranche 72. Pour obtenir ce résultat, en revenant à la figure 3, on exécute l'implantation des ions de façon qu'elle se fasse jusqu'à une profondeur qui atteint 5 la surface de séparation entre la couche épitaxiale 72 et la couche de substrat 71» A cet égard, on comprend naturellement que l'on peut obtenir la partie discrète de conductivité différente en une configuration désirée quelconque en utilisant le procédé de l'invention. 10 En se reportant à la figure 3, on peut employer aussi la technique suivant l'invention pour implanter d'abord des ions à travers la couche déposée épitaxialement 72, à l'interface de la couche épitaxiale 72 et de la couche de substrat 71 du bloc 70 pour obtenir un premier ensemble, de parties discrètes 15 de conductivités différentes, ,qui peuvent être du même type, par exemple de silicium n+ ou de silicium de type p, ou de types différents, par exemple de silicium n+ et de silicium de "type p. On peut alors implanter les ions à la partie supérieure de la tranche, ou couche 72 pour former un second ensemble de 20 parties discrètes de conductivités différentes. Après les étapes différentes d'attaque et de recuit, la tranche 72 a des parties discrètes dopées des deux côtés. Avec cette technique, on peut obtenir un semi-conducteur en tranche mince , tel que celui représenté à la figure 8. La tranche de semi-conducteur 25 72 a un premier ensemble de parties discrètes 94,96 et un second ensemble de parties discrètes 97,98.- En se reportant à présent à une technique exemplaire comme .décrite dans un premier exemple, on choisit un bloc de matière 100 ayant une couche de.base convenable 101, comme 30 représenté.à la figure 9. Le substrat 101 a une épaisseur de 0,127 mm et il est constitué d'une tranche de silicium n+dopée d'antimoine pour, lui donner une résistivité de 0,001 ohm/cm. On a déposé épitaxialement sur le substrat 101, par des techniques. de croissance connues, une couche de silicium 102 de type —3 35 n ,- , d'une épaisseur de 7 .-10 mm. La région de silicium 102 a été dopée à l'arsenic pour lui donner une résistivité de 4,6 ohms/cm . La région 102 de type-n a été exposée à une 71 28153 10 2099721 source normale d'implantation d'ions en utilisant des techniques connues pour implanter la région 102 au moyen d'ions 15 -2 phosphoreux de 300 keV à une dose de 4(10) cm™ en formant une partie implantée d'ions ou couche 103 d'une épaisseur de 5 0,33 . 10-5 mm. Sur la couche 1039 on a déposé, en utilisant des techniques connues, une première couche d'oxyde de silicium 104 et une seconde couche de silicium polycristallin 106. On a masqué convenablement les couches 104 et 106 à l'égard (de l'attaque 10 électrochimique subséquente du bloc 100. On a fixé à l'aide, de paraffine, au bloc 100, à l'endroit de la couche 106, un support de saphir, comme on l'a décrit à la figure 4, et on a fixé ce bloc semi-conducteur avec les régions 101, 102, 103» 104 et 106 à un appareil semblable à celui de la figure 4. On 15 a choisi un récipient de polytétrafluoroéthylène, et on y a préparé un bain d'attaque électrolytique composé de 5$ en poids d'acide fluorhydrique ; une électrode de platine était introduite dans le bain et reliée par des moyens convenables au pôle négatif d'une batterie. A la jonction du substrat 101 de 20 silicium n+ et de la couche 102 de silicium de type ns on a fixé un moyen convenable pour relier le bloc 100 au pôle positif de la batterie. On a rendu le bloc 100 électriquement positif par rapport à l'électrode de platine.La température du bain d'attaque électrochimique a été maintenue à 25°0 et on a 25 complètement immergé le bloc 100 dans l'acide fluorhydrique, comme représenté à la figure 2» On a appliqué au bloc 100 un potentiel de 5 volts pour maintenir une densité de courant constante de 40 milliampères par centimètre carré dans l'acide fluorhydrique, ce qui condui-30 sait à l'attaque électrochimique sélective du substrat 101 de silicium n+„ Il n'y avait pas d'attaque de la couche 103 ou de la couche épitaxiale 102 se trouvant en dessous. La tranche mince 102 de silicium de type n qui en résultait , comportant une couche implantée d'ions phosphoreux ,103» a été soumise 35 ensuite à un traitement de recuit en utilisant des techniques normales, à une température de 809°C pendant une durée de 30 minutes, ce qui a donné une tranche de silicium de type n ayant 71 28153 2099721 une partie discrète ou couche 103 de conductivitédifférente, c'est-à-dire une couche ou partie de silicium n+. Dans un second exemples on a choisi un bloc de matière semblable à celui représenté à la figure î. Le substrat 101 5 était une tranche de silicium n+ d'une épaisseur de 0/127 mm dopée d'antimoine pour lui donner une résistivité de 0,001 ohm/cm. Par dépôt épitaxial à l'aide de techniques de croissance connues, on a établi sur le substrat 101 une couche 102 -3 de silicium de type n d'une épaisseur de 7 . 10 mm. On a 1C dopé la couche 102 à l'arsenic pour lui donner une résistivité de 4,6 ohms/cm. On a exposé alors la région 102 de type n à une source normale d'implantation d'ions en utilisant des techniques connues, de façon que la région 102 fût implantée 14 „p d'ions phosphoreux de 300 keV à une dose de 2(10) cm en 15 formant une partie ou couche implantée d'ions, 103, d'une —3 épaisseur de 0,33 • 10 mm. On a déposé à nouveau au-dessus de la couche 103 une première couche 104 composée d'oxyde de silicium, et une seconde couche 106 de silicium polycristallin a été déposée ensuite sur la couche 104. 20 On a masqué convenablement les couches 104 et 106 et on a répété la marche décrite dans le premier exemple en utilisant la même technique et les mêmes réactifs, la même densité de courant, la même température et le même temps. La tranche de silicium de type n ainsi obtenue n'a pas été attaquée et l'on 25 n'a pas attaqué non plus la couche 103 implantée d'ions , que l'on a transformée après traitement thermique pour avoir une partie ou couche de silicium n+. 71 28153 12 2099721 REVENDICATIONS 1.- Procédé de préparation d'une tranche de semiconducteur mince, comprenant les étapes qui consistent à déposer une pellicule épitaxiale de matière semi-conductrice sur un substrat semi-conducteur et à soumettre ensuite l'ensemble résultant à une dissolution électrochimique aboutissant à la dissolution du substrat, caractérisé en ce qu'on forme au moins une partie discrète de conductivité différente de celle de la pellicule épitaxiale dans cette dernière en implantant dans la pellicule des ions de conductivité désirée avant la dissolution éleetrochimique du substrat et en ce qu'on traite thermiquement la pellicule implantée d'ions après la dissolution pour activer ainsi les ions implantés, 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matière semi-conductrice est du silicium de type n et en ce qu'on choisit la partie discrète dans le groupe comprenant le silicium n+, le silicium de type p ou des mélanges de ces matières-.