Brevet FR2131982A1 — publié le 19721117

i 2131982 La présente invention se rapporte à un nouveau procédé permettant d'introduire d'une manière contrôlée des substances étrangères dans une couche de bioxyde de silicium jointive avec du silicium, et notamment dans la couche de jonction bioxyde 5 de silicium-silicium. L'introduction de substances étrangères, généralement sous forme d'ions, a pour objectif d'influencer la couche de SiO^ ou le substrat Si sous-jacent de manière telle qu'ils deviennent aptes à la fabrication de composants électroniques à base de Si. Les composants selon l'invention 10 sont destinés par exemple â des transistors MOS ou à des composants à couplage de charge. Dans ce cas l'introduction contrôlée d'ions étrangers est obtenue par implantation d'ions. Un tel traitement d'implantation de couches d'oxyde est en lui-même connu. Le procédé connu d'implantation directe 15 dans des couches de bioxyde de silicium présente toutefois des inconvénients, à savoir : 1. L'implantation provoque des dommages de rayonnement, qui détériorent particulièrement très fortement les propriétés des couches de jonction. Ces effets désavantageux peuvent tout 20 au plus être supprimés à un certain degré par un recuit prolongé à températures relativement élevées. Cela présente un désavantage dans de nombreux cas, en ce sens qu'aux températures de recuit élevées prend naissance une diffusion indésirable des ions étrangers implantés et une croissance d'oxyde indésirable 25 dans la structure Si-Si02« 2.- L'implantation-donne naissance à un profil élargi déterminé pour la distribution des ions implantés au sein de la couche d'oxyde et partiellement dans le silicium. La distribution favorable pour le dopage superficiel est toutefois une 30 couche aussi mince que possible d'ions de dopage au niveau de la couche de jonction entre le silicium et le bioxyde de silicium. 3.- L'énergie des installations d'implantation disponibles est limitée, et de ce fait les dopages désirés - notamment lors- 35 que des couches épaisses d'oxydes doivent être employées - ne peuvent pas être réalisés. Les inconvénients susmentionnés de l'implantation directe dans des couches d'oxydes sont éliminés par le fait que les ions sont d'abord, par implantation, introduits dans une surface 72 06632 2 2131982 de silicium non oxydée et qu'ensuite cette couche de silicium est oxydée par la voie thermique. Ce procédé est en lui-même connu. L'objectif de ce procédé est la production de passages profonds dans un substrat 5 de semi-conducteur. Il est nécessaire, dans ce cas, que seule une partie du produit implanté se trouve dans l'oxyde, tandis que l'autre partie, produisant l'effet désiré, reste dans le Si. En revanche, conformément à l'invention, il est procédé de manière telle que toute la couche contenant les ions étran-10 gers est transformée en SiOg. Les propriétés d'un composant électronique fabriqué suivant ce procédé sont alors déterminées uniquement par les ions étrangers contenus dans le SiO^. Comme la couche d'oxyde n'est formée qu'après l'implantation, le procédé suivant l'invention permet d'éviter la naissance de 15 dommages de rayonnement dans la couche d'oxyde, dommages qui sinon se produiraient lors de l'implantation. Lors du traitement à haute température, la couche de jonction Si-SiOg progresse de manière en elle-même connue, au fur et à mesure de l'oxydation, dans le cristal Si, de sorte qu'après une 20 oxydation suffisamment longue toute la couche implantée est transformée en Si02 obtenu par croissance thermique et dès lors exempt de défauts dus au rayonnement. Comme le montrent les expériences qui sont à la base de l'invention, lors du traitement à haute température, un certain nombre d'ions dif-25 férents, notamment les ions alcalins Na, K, Rb, Cs s'accumulent, en raison de leur affinité, sur la couche de jonction Si02-Si et se déplacent avec cette dernière. Comme prévu, ils sont chargés positivement et remplissent dès lors d'une manière idéale la fonction du dopage de la couche de jonction. Comme 30 le montrent en outre les expériences qui sont à la base de l'invention, il est possible de produire dans l'oxyde, sur la base d'ions Cs+, des charges volumiques thermiquement stables. L'incorporation des ions Cs implantés dans la couche de jonction Si - SiÛ2 ou à proximité de l'électrode métallique 35 peut alors être contrôlée par le choix approprié de la température lors du traitement à haute température. En effet, si l'oxydation a lieu à des températures qui d'une part garantissent une croissance d'oxyde suffisante mais pour.lesquelles d'autre part les ions ne peuvent pas encore surmonter l'affinité 72 06632 3 2131982 à l'égard de la couche de jonction, on retrouvera, après l'achèvement de l'oxydation, la majeure partie des ions Cs+ dans la couche de jonction Si - SiOg. Si cette température est dépassée, il se produit un autre mode de dopage par oxy-5 dation : les ions Cs+ ne diffusent que d'une manière insignifiante, et après l'oxydation on retrouve dans l'oxyde un profil de concentration, qui a la même allure que la distribution d'origine dans le Si, mais qui en raison de la variation volumétrique lors de l'oxydation présente sensiblement 10 une extension double perpendiculairement à la surface. De cette manière il est possible d'accroître la profondeur de pénétration effective des ions. L'incorporation de métaux tels que Cu, Cr, Au, Mg, T1 dans la couche de jonction Si-Si02 augmente considérablement 15 le nombre d'états de surface, ce qui permet par exemple de régler le potentiel de surface indépendamment des potentiels de fuite ou de cheminement. La densité de charge peut être influencée d'une manière contrôlée par la variation des conditions d'oxydation et d' 20 une manière en elle-même connue par la variation de la dose implantée. Une délimitation géométrique de la charge de surface a lieu par un recouvrement sélectif du rayon ionique pendant l'implantation, ce qui, comme on le sait, peut avoir lieu à l'aide de masques métalliques ou aussi à l'aide de couches 25 métalliques apposées par vaporisation, qui sont traitées avec des techniques de photovernis. L'invention sera maintenant décrite plus en détail avec référence à plusieurs exemples illustrés par le dessin, dans lequel : 30 Les Figs. la à le illustrent schématiquement les différen tes phases de l'opération de dopage. La Fig. 2 est un graphique illustrant les courbes de tension en fonction de la capacité. La Fig. 3 est un graphique représentant les tensions de 35 bande plane en fonction de la coordonée locale. La Fig. 4 est un graphique donnant les tension de bande plane en fonction de différentes épaisseurs de la couche d'oxyde. La Fig. 5 est un graphique illustrant que le potentiel 72 06632 4 2131982 de surface du composant électronique suivant l'invention est indépendant de l'épaisseur de la couche d'oxyde. la Fig. 6 est un graphique du profil de concentration des ions Cs+ au sein de la couche d'oxyde. 5 La Fig. 7 est un graphique illustrant la concentration du Cs+ après l'implantation. Exemple 1 : On obtient un dopage, avec des ions positifs 11, thermi- 10 quement stable de la couche de jonction en implantant par 13 -2 + exemple 5-10 cm xons Cs avec une tension d'accélération de 20 kV dans une couche superficielle de silicium 5 après épuration de l'échantillon. Une partie 6 de la surface est protégée par un masque métallique 12 contre le rayon d'implantation 15 (Fig. la). Ensuite le cristal de silicium est oxydé à la température de 800°C dans de l'oxygène humide, jusqu'à ce qu'une épaisseur d'oxyde d'environ 1000 âest atteinte, phase au cours de laquelle les charges positives sont incorporées dans l'oxyde (Fig. lb); la limite d'implantation est désignée par le chif-20 £re de référence 4. Ensuite on fabrique plusieurs diodes Si par vaporisation d'or sur la face postérieure et d'électrodes circulaires de Cr, Au, d'un diametre de 0,9 mm, sur la surface du Si02 (Fig. le). La preuve de l'incorporation de charges positives thermi-25 quement stables est fournie par le graphique de la Fig. 2, donnant les courbes capacité-tension d'une diode de silicium implantée et d'une diode de silicium non implantée. La mesure de la capacité en fonction de la tension, dans les structures MOS, est la méthode la plus sensible permettant de détecter le 30 déplacement du potentiel de surface. Les courbes permettent de noter une tension de bande plane de - 75 V pour le côté implanté (1) et de - 3 V pour le côté (3) recouvert lors de l'implantation, de la structure MOS, ce qui permet de calculer une densité de charge superficielle effective de Ng = 35 6.1012cm~2. Qu'il s'agisse de charges thermiquement stables résulte du fait que lors d'un traitement thermique de 30 minutes à 430°C avec application simultanée d'un champ électrique de 1.10^ V/cm (l'électrode Cr-Au étant au potentiel négatif), la caractéristique C-U (2) ne se déplace pas (Fig. 2). La précision de la ligne de séparation entre la surface (5) 72 06632 5 2131982 implantée avec des charges positives et la surface (6) non implantée est représentée à la Fig. 3S qui est un graphique indiquant les tensions de bande plane (^p-g) en fonction de la coordonnée locale perpendiculairement à la ligne de séparation. 5 Exemple 2 : Le procédé de l'exemple 1 a été répété pour plusieurs 13 -2 échantillons de silicium, à la différence près que 1,5 . 10 cm ions Cs ont ete implantes et que l'oxydation a ete executee jusqu'à différentes épaisseurs d'oxyde d de 500 à 2 000 &. Par 10 suite de la température d'oxydation particulière de 800°C lors du traitement à température élevée, la plupart des ions Cs+ s'accumulent, lors de ce traitement, dans la surface de jonction Si - SiO-j, comme le montre la Fig. 4, qui est un graphique des tensions de bande plane VpB pour différentes épaisseurs 15 des couches d'oxyde. L'accroissement des potentiels de surface, qui augmentent linéairement avec l'épaisseur de la couche d'oxyde, permet jo -P + d'évaluer à 4,3.10 cm le nombre d'ions Cs incorporés dans la couche de jonction. 20 Exemple 3 : Le traitement préalable est identique à celui de l'exemple 23 mais l'oxydation est exécutée à 1000°C. Les ions Cs , qui lors de l'oxydation ne sont pas soumis à une diffusion notable, surmontent à cette température et à des températures 25 d'oxydation plus élevées l'affinité à l'égard de la couche de jonction et sont incorporés dans l'oxyde à proximité de l'électrode métallique, comme cela résulte du fait que le potentiel de surface est" indépendant de l'épaisseur de la couche d'oxyde (Fig. 5). Après l'oxydation on se trouve dès lors en 30 présence d'un profil de concentration des ions Cs+ dans la couche d'oxyde, qui par suite du doublement volumétrique approximatif lors de l'oxydation a sensiblement une extension double perpendiculairement à la surface (Fig. 6). La Fig. 7 illustre la concentraton du Cs+ après l'implan-35 tation. 72 06632 6 2131982 REVENDICATIONS 1.~ Procédé de dopage pour l'incorporation de substances étrangères dans des couches de SiC^ jointives avec du silicium, procédé au cours duquel les ions des substances étrangères ■ sont, par implantation ionique, incorporés dans une couche 5 superficielle de Si, cette couche étant ensuite, par oxydation thermique, transformée en SiC^, caractérisé par le fait que toute la couche contenant ces ions est oxydée. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les substances étrangères incorporées sont les métaux 10 alcalins Cs, Rb, K. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'oxydation thermique a lieu à une température d'environ 800°C a 1 000°C, 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le 15 fait que les substances étrangères incorporées sont les métaux Cu, Cr, Au, Mg et Tl. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisé par le fait que pendant l'implantation, certaines zones de la surface sont, d'une manière en elle-même 20 connue, protégées par des masques contre l'influence du rayon ionique. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications de 1 à 5j caractérisé par le fait que différentes implantations sont exécutées, parallèlement, pour l'obtention de charges de 25 surface de différentes concentrations et de différents types de charge ou d'états de surface de différentes concentrations.