Brevet FR2138908A1 — publié le 19730105

L'invention a pour objet un procédé de production de zones contaminées & profils donnés dans des semi-conducteurs, selon lequel on met en place les différentes impuretés de contamination, également dites de dopage, à la surface ou dans des zones superficielles du matériau de base seii-conducteur, puis on fait pénétrer ces impuretés de contamination par diffusion à l'intérieur du matériau de base à une élevée, de sorte qu'il se for ai cours du processus de diffusion des couches de conductivités différentes et de profils différents. Dans la technique plaser utilisée pour la fabrication de circuits intégrés, il est nécessaire que les couches superposées contaminées differemment, aient des différentes pour qu'on puise accéder à chaque couche par le haut. Belon le procédé de diffusion à partir d'une phase gazeuse, l'obtention de chaqae couche nécessite une opération de travail parti ciii ère ( oxydation, masquage, gravure, diffusion), car les ouvertures de fenêtre dans la couche de SiO2 doivent avoir des dimensions différentes pour chaque opération.Quand les impuretés de contamination sont mises en place, par une opératien appropriée, siivaat un schéma déterminé, i la surface ou dans des zones superficielles d'un seni-condacteur, il est possible, par une seule opération de diffusion, de produire plusieurs couches (par exemple quatre couches) ayant des cenductivités différentes. Â cet effet, il est nécessaire de choisir les dopants en fonction de leur coefficient de diffusion, de serte que, par laite de ces différences de coefficient de diffusion, les jonctions p-n se présentent, à la fin de l'opération, à la profondeur voulue.Ce procédé est particulièrement favorable avec le silicini comme le montre l'exemple donné plus loino Si le nombre total d'atones diffusés est constant, leur concentration & la profondeur x mesurée depuis la surface est donnée par la relation c(x) = N(#Dt)-1/2 exp(-x2/4Dt), (relation 1) dans laquelle N est la concentration superficielle an dopant, D le coefficient de diffusiot et t le temps de diffusion. La courbe représentative de la relation 1 est donnée & la figure 1, le rapport c(x)/N est représenté cosse fonction de la profon- deur x. La figure 1 montre la variation de la concentration d'atoses diffusants dans le cas d'obtention de couches planes. Le nombre total des atomes diffusants est constant. Les abcisses sont comptées à partir de la surface du cristal. On a porté en ordonnez le rapport de la concentration c(x) an point x à la concentration superficielle finale N. Lorsque les atomes qui diffusent donnent naissance à un type de conductivité inverse, une Jonction P-N se forme à l'endroit où c(x) devient égal à la concentration originelle des imperfections.On voit sur la fi gure 1 que, par exemple pour deux matériaux Â et B ayant comme coefficients de diffusion respectifs DA = 10-12 sec 1 et DB = 10-13 sec , avec un temps de diffusion t - 104 s la jonction p-n ( La figure 2 montre la variation du coefficient de diffusion de dopant en Si, en fonction de la température. Si on prend 11000C comme température de diffusion, on a pour quatre matériaux différents les valeurs de coefficient de diffusion indiquées sur le tableau I ci-dessous. Tableau I Coefficient de diffusion (D) à 1800 C en Si. A1 (type p): D = 1,5 x 10-12 cm2/sec P (type n): D P 3 x 10-13 cm2/sec B (type p): D P 8 x 10-14 cm2/sec Sb (type n): D = 1,5 x 10-14 cm2/sec La variation de D sur 2 puissances de 10 permet, à concentration superficielle égale N en matière diffusante d'introduire par diffusion simultanée 4 Jonctions p-n à une profondeur fonction du temps de diffusion. Â titre d'exemple, pour t- 104 sec dans un matériau de base du type n, dans lequel n - 1016cm-3 avec N 4 2,8 x 1013es 2 et avec un coefficient de diffusion d'après le tableau 1, on a pour les Jonctions p-n les profondeurs suivantes :: 4,5 m ; 0,57 m et 0,24 m. La concentration maximale en surface de (Sb) est dans ce cas c (o)= 1,3 x 1018 cm-3. Or les concentrations en surface les plus élevées des structures de seji-conducteurs de type traditionnel sont supérieures à 1019cm-3.Oes concentrations peuvent titre obtenues en choisissant de façon appropriée la concentration superficielle ET des différents dopants0 On a ainsi la possibilité de déterminer à volonté la profondeur des différentes Jonctions p-n en choisissant, dans les limites voulues, les différentes valeurs de N. Pour deux matériaux 1 et 2 cette profondeur est proportionnelle à de plus, en choisissant de façom convenable le temps de diffusion on peut modifier proportionellement à #t, suivant un rapport identique, la profondeur de toutes les jonctions. En résumé, on dispose des possibilités suivantes pour obtenir un profil donné de zone contaminée : en choisissant la température de diffusion on fixe de ce fait les constantes de diffusion qui, en combinaison avec les concentrations en ispa- retés N pouvant être choisies dans certaines limites, détermi- nuent les relations d'intervalles entre les Jonctions p-n; en choisissant le temps de diffusion, on détermine la profondeur de la structure. Une méthode appropriée pour obtenir les concentrations superficielles nécessaires, avec la répartition souhaitée, sur la surface ta semi-conducteur est par exemple l'implantation d'ions. On peut ainsi réaliser des circuits intégrés, soit en disposant des masques devant le semi-conducteur pendant le bombardement, soit par gravure directe & i l'aide d'un faisceau ionique focalisé.On peut alors procéder de deux façons dit- tarentes s 1) L'itplantation a uniquement pour but de mettre an place an surface et de façon contrôlée les dopants, tandis que les zones contaminées à profils donnés ne se forment à l'intérieur ta semi-conducteur que par diffusion. 2) EE combinant une large implantation, dans laquelle les atomes sont introduits par bombardement à de grandes profondeurs, avec la diffusion case décrite plus haut, on obtient une autre possibilité de réaliser avec souplesse des profils donnés de zones contaminées. Dans ce cas, non seulement les différents dopants diffusant à des vitesses différentes, mais leurs diffu- sions peuvent conencer à des profondeurs differentes. On obtient ainsi un écartement encore plus grand du profil de la zone contaminée. D'autres possibilités consistent à mettre an place les dopants par évaporation ou par électrolyse. Les principaux avantages offerts par la technique proposée d'utilisation de l'implantation par gravure par faisceau ionique soit la suppression totale des masques et couches de recouvrement (SiO2), ce qui permet de réaliser des circuits intégrés même sur des matériaux ne possédant pas de couches d'oxyde appropriées (par exemple combinaisons II-VI et III-V). Grâce au fait que les dopants ne diffusent qu'une seule fois, on réalise une simplification notable de la technAlogie de production de zones contaminées à profils donnés, car il n'y a plus à procéder aux opérations d'ajustage des masques à répéter de nombreuses fois, ni au chauffage répété dans les opérations d'oxydation. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de production de zones contaminées à profils donnés dans des semi-conducteurs, caractérisé en ce que les différents dopants sont mis an place dans des zones superficielles, comprenant notamment la surface ta matériau de base du semi-conducteur, et en ce qu'on fait pénétrer les dopants dans ce matériau de base par diffusion à haute température de sorte que des couches, de cenductivités différentes et de profils différents, sont obtenues par cette opération de diffusion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dopants sont apportés sur le matériau de base semi conducteur par évaporation. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé an ce que les dopants sont apportés sur le matériau de base semi- conducteur par séparation électrolytique. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dopants sont implantés par bombardement ionique dans la sone superficielle du matériau de base semi-conducteur. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé an ce que les différents dopants sont implantés par bombardement ionique, à des profondeurs différentes, dans le matériau de base semi-conducteur en faisant varier l'énergie d'implantation. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les dopants sont introduits dans des zones déterminées ta matériau de base semi-conducteur à l'aide de masques. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'implantation des dopants s'effectue au moyen d'un faisceau ionique focalisé balayant les zones du matériau de base semi-conducteur à contaminer avec le dopant utilisé, les zones à contaminer étant obtenues par déviation du faisceau ionique. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé an ce que la concentration après diffusion des dopants dans les différentes zones en profondeur du matériau de base semi-conducteur est déterminée par la concentration en surface des dopants avant la diffusion. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé an ce que la profondeur et la position des diffé- rentes Jonctions p-n est déterminée par le choix de la température de diffusion, de la concentration en surface des dopants et par celui du temps de diffusion. 10. Semi-conducteurs, notamment à plusieurs Jonctions, tels que circuits intégrés, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.