Brevet FR2125358A1 — publié le 19720929

L'invention concerne la fabrication de semiconducteurs, notamment de disques en matière semiconductrice et plus particulièrement, la fabrication de disques pratiquement circulaires en matière semiconductrice obtenus par une technique de zone 5 flottante et présentant des surfaces planes qui coïncident avec ces plans cristallographiques .^100 j- . Les propriétés des matières semiconductrices monocristallines sont anisotropes. En conséquence, il se peut que des disques d'une matière semiconductrice qui auraient les mêmes 10 dimensions, mais dont les surfaces planes coïncideraient avec des plans cristallographiques différents,ne soient pas interchangeables pour certaines applications. Par exemple, on a trouvé que les dispositifs semiconducteurs à oxyde métallique (MOS) fabriqués à partir de disques 15 de silicium présentant des surfaces planes qui coïncident avec des plans cristallographiques |l00^ sont,,supérieurs aux dispositifs MOS fabriqués à partir de disques de silicium présentant des surfaces planes qui coïncident avec les plans cristallographiques {"°1 ou £l 11} . Les dispositifs MOS nécessitent un 20 substrat à faible densité de charge de surface et les disques de silicium présentant des surfaces planes |lOo]; assurant une moindre densité de charge de surface que les disques similaires présentant des surfaces planes 10 ) ou £l 11*^ . De même, des disques de matières semiconductrices mono-25 cristallines présentant des surfaces planes j100^ sont préférables dans certaines applications à cause de la facilité de croissance épitaxiale sur ces surfaces |l00}, et dans d'autres applications, parce que les surfaces planes |l00*^ tendent à-avoir des propriétés piézorésistantes plus favorables que des 30 surfaces planes coïncidant avec d'autres plans cristallographiques. .11 existe aussi d'autres raisons de préférer les disques semiconducteurs monocristallins présentant des surfaces planes (100}. L'identification des plans cristallographiques s'effec-35 tue, dans la technique cristallographique, par un système de trois nombres appelés indices de Miller. Les brevets et la littérature technique sont pleins d'explications sur les indices de Miller et il n'est donc pas nécessaire ici de définir complètement ces indices. Toutefois, dans la présente description, 72 0448? 2 2125358 il est entendu que lorsque dea directions et des plans cristallographiques portent la même désignation numérique, ces directions et plans sont mutuellement perpendiculaires entre eux. D'autre part, les indices de Miller représentent, lorsqu'ils 5 sont entourés par £ , une direction déterminée, par un système de directions, par () un plan déterminé et par | j un système de plans. Etant donné qu'un plan cristallographique ^ 10ù'} est perpendiculaire à une direction cristallographique , 10 dans un réseau cubique de Bravais, si l'on découpe des tranches parallèles perpendiculairement à l'axe longitudinal d'une barre de matière semiconductrice monocristalline dont l'axe longitudinal coïncide avec une direction cristallographique O 00^ , on obtient des disques de cette matière dont les surfaces pla-15 nés coïncident avec des plans cristallographiques {100} . Un procédé courant pour développer des tiges de matière semiconductrice monocristalline dont l'axe longitudinal coïncide avec une direction cristallographique est le procédé de tirage de Czochralski, maintenant classique de base dans la tech-20 nique de Ta croissance des cristaux, qui a été décrit par J. Czochralski dans un article intitulé "Measuring the Velocity " of Crystallization of Metals", publié dans le volume 92 de Zeitschrift ftir Physikalische Chemie, page 219, année 1917. De nombreuses variantes de ce procédé sont aussi maintenant 25 bien connues. Pour de nombreuses applications, des disques de matière semiconductrice monocristalline découpés dans des tiges développées par le procédé Czochralski conviennent parfaitement. Toutefois, un inconvénient de la technique de 30 Czochralski est que le creuset qu'on utilise pour contenir une solution fondue de la matière semiconductrice devant croître pour former une tige introduit des impuretés dans cette matière. Quand la matière est le silicium, la présence d'oxygène comme impureté dans le silicium fondu est un inconvénient sérieux. 35 Pour éviter les difficultés résultant de cette conta mination, inhérentes au procédé Czochralski, on peut faire croître une tige de matière semiconductrice monocristalline par la technique de la cristallisation à zone flottante. Comme publi-. cations antérieures concernant cette technique, on citera 3 2125358 72 04483 notamment les brevets des E.U.A. n° 2 739 088 et 3 060 123. De nombreux brevets et articles ont été publiés depuis sur des variantes de la technique de la zone flottante. Malheureusement, s'il est vrai que la technique de 5 la zone flottante fournit un moyen pour éviter la contamination de la tige de matière semiconductrice monocristalline développée, on ne peut pas obtenir par cette technique de croissance toutes les orientations cristallographiques possibles et on rencontre de grandes difficultés lorsqu'on tente de développer 10 ainsi des tiges orientées dans une direction cristallographique . En conséquence, la quasi-totalité des cristaux formés industriellement par le procédé de la zone flottante sont orientés dans une direction cristallographique . On ne trouve pas dans le commerce de tiges - de matiè-t5 re semiconductrice monocristalline orientée dans une direction î pourtant on a toujours besoin de disques, tranches, galettes, etc. de matière semiconductrice monocristalline présentant des surfaces planes qui coïncident avec un plan cristallographique ^100J et qui sont développés par une technique 20 à zone flottante.D'autre part, étant donné que les gabarits et autres dispositifs servant à travailler les matières semi-conductrices sont conçus pour des disques pratiquement circulaires, on a besoin de tels disques à orientation ^ 100 qui soient pratiquement circulaires et donc compatibles avec les 25 gabarits circulaires normalement employés pour les dispositifs semiconducteurs. Le but principal de l'invention est donc de fournir un disque pratiquement circulaire de matière semiconductrice monocristalline, développé par une technique à zone flottante 30 et dont les surfaces planes coïncident avec des plans cristallographiques |i 00}. Un autre but est de fournir un procédé efficace de fabrication du disque pratiquement circulaire décrit ci-dessus. Compte tenu de ces buts et d'autres, on a découvert, 35 et la présente invention enseigne, que l'on peut fabriquer un disque pratiquement circulaire de matière semiconductrice monocristalline obtenu par utilisation d'une zone flottante, dont les surfaces planes coïncident avec des plans cristallographiques S100^ en faisant croître d'abord une tige pratiquement 72 04483 4 2125358 cylindrique de cette matière semiconductrice par une technique à zone flottante et de façon telle que l'axe longitudinal de la tige développée coïncide avec une direction qui fait un angle de 70 à 80° avec un plan cristallographique 00 }■ . Puis 5 on peut découper le disque dans la tige le long de plans cristallographiques |100} qui font ce même angle avec l'axe longitudinal de la tige. De préférence, on peut développer la tige dans une direction cristallographique . L'invention est particulièrement utile à la fabrication de disques de ger-10 manium et de silicium. D'autres buts et avantages apparaîtront à l'homme de l'art à la lecture de la description détaillée ci-après et à l'étude des dessins annexés, où les mêmes références désignent des parties semblables ou correspondantes et sur les-15 quels : - la figure 1 est une vue en perspective isométrique de la maille cubique d'un cristal, située sur des axes XYZ et illustrant la relation des directions et plans cristallographiques 001 et 111 ; 20 - la figure 2 est une coupe de la maille de la figure 1, suivant la ligne 2-2; - la figure 3 est une élévation latérale d'une tige de matière semiconductrice monocristalline dont l'axe longitudinal coïncide avec la direction [111J et montre la relation 25 des plans (111) et (001) avec cet axe; - la figure 4 est une vue du dessus d'un disque découpé dans la tige de la figure 3 suivant des plans (111); - la figure 5 est une vue du dessus d'un disque découpé dans la tige de la figure 3 suivant des plans (001); 30 - la figure 6 est une vue en perspective isométrique d'une maille d'un cristal, située sur des axes XYZ et illustrant la relation des directions et plans cristallographiques 001 et 115; - la figure 7 est une coupe de la maille de la figure 35 6 suivant la ligne 7-7; - la figure 8 est une élévation latérale d'une tige de matière semiconductrice monocristalline dont l'axe longitudinal coïncide avec la direction [115] et montre la relation des plans (115) et (001) avec cet axe; 72 04483 5 2125358 - la figure 9 est une vue du dessus d'un disque découpé dans la tige de la figure 8 suivant des plans (115); - la figure 10 est une vue du dessus d'un disque découpé dans la tige de la figure 8 suivant des plans (001); et 5 - la figure 11 est une vue latérale suivant le grand axe du disque représenté par la figure 10. Sur la figure 1, on voit un cube 10 représentant une maille au sein d'une matière semiconductrice mono cristalline. Le cube 10 est représenté placé sur des axes de coordonnées 10 XIZ mutuellement perpendiculaires et chaque arête du cube 10 a la longueur unité. Le tireté OE représente la direction cristallographique [m] qui va de 0 à E. Le plan ABC représente le plan cristallographique (111) et coupe chaque axe à une unité de longueur. Toujours sur la figure 1, la ligne OC repré-15 sente la direction [001] qui va de 0 à C, ce dernierypoint se trouvant à une unité "z" et à zéro unités "x" et "y" du point 0. Le plan CDEG- représente le plan (001) qui coupe l'axe Z à une unité et est parallèle aux axes X et Y. Sur la figure 2, le cube 10 est représenté en coupe 20 suivant OCEF et on voit clairement les relations angulaires des directions et plans. 001 et 111. Il est évident, d'après la figure 2, que les directions {^001 et N sont respectivement perpendiculaires aux plans (001) et (111). On voit facilement aussi sur la figure 2 que le plan (001) fait un angle 0 avec 25 la direction [111] . En appliquant le théorème de Pythagore et les fonctions trigonométriques, on peut voir que 9 est égal à 35,3°. Ainsi, comme le montre la figure 3, une t-ige cylindrique 13 en matière semiconductrice monocristalline dont l'axe 30 longitudinal 15 coïncide avec la direction"cristallographique [l1lj présente des plans (111) et (001), représentés par les lignes respectives 17 et 19, qui font avec l'axe longitudinal des angles de 90°^et de 35,3° (9). En conséquence, en découpant la barre 13 parallèlement aux plans (111), repérés en 17, on 35 obtient des disques circulaires 21, figure 4, dont les surfaces planes coïncident avec des plans cristallographiques (111). De même, en découpant la tige 13 parallèlement aux plans (001) ou 19, on obtient des disques elliptiques 23, figure 5, dont les surfaces planes coïncident avec des plans cristallographi- 72 04483 6 2125358 ques (001). Les figures 1 à 5 montrent les relations des directions et plans 111 et 001, mais il est évident pour l'homme de l'art qu'il existe des relations similaires entre d'autres 5 directions et les plans ^ 1003" {m 1 • Le procédé ci-dessus donne bien des disques 23 présentant les surfaces planes désirées {lOO} , mais les disques 23 sont très elliptiques et ne sont donc pas compatibles avec les gabarits circulaires normalement utilisés dans l'industrie 10 des dispositifs semiconducteurs. Généralement, le grand axe du disque 23 a une longueur supérieure d'environ 73$ à celle du petit axe. Cependant, le procédé ci-dessus éialt, avant l'invention, le plus satisfaisant pour la fabrication de disques monocristallins à surfaces planes {_100 par un procédé de 15 zone flottante, bien que l'on gaspille dans ce procédé de grandes quantités de matière. Comme on l'a dit plus haut, la quasi- totalité des tiges semiconductrices monocristallines obtenues par une technique de zone flottante et développées industriellement sont 20 orientées dans une direction cristallographique . Or, on a découvert maintenant que l'on peut utiliser une tige monocristalline de matière semiconductrice, développée par une technique de zone flottante et de façon telle que l'axe longitudinal de la tige coïncide avec une direction cris-30 tallographique qui fait un angle de 70 à 80° avec un plan cristallographique ^100^ , pour fabriquer efficacement des disques pratiquement circulaires de matière semiconductrice monocristalline dont les surfaces planes coïnàident avec des plans cristallographiques |l00^ . 35 Une tige de matière semiconductrice monocristalline d'orientation est représentative de celle définie au paragraphàeprécèdent et on l'emploiera ci-après pour illustrer- 72 04483 7 2125358 le procédé de l'invention. Sur la figure 6, on voit un cube 30 représentant une maille au sein d'une matière semiconductrice monocristalline. Le cube 30 est identique au cube 10. Comme sur la figure 1, les directions et plans cristallographiques 5 001 sont représentés sur la figure 6 par la ligne O'C' et le plan C'D'E'G'. Le tireté O'P représente une direction cristallographique , plus précisément [115] , et constitue le segment compris dans le cube 30 de la ligne qui va de 0' à fi, point que l'on détermine par un déplacement d'une unité 10 de longueur parallèlement à l'axe X, puis d'une unité parallèlement à l'axe Y et enfin, de cinq unités parallèlement à l'axe Z. Le plan A'B'Q représente le plan cristallographique (115) qui coupe les axes X et Y à une unité et l'axe Z à un cinquième d'unité. 15 Sur la figure 7, le cube 30 est représenté en coupe suivant O'C'E'î1' et on voit clairement les relations angulaires des directions et plans 001 et 115. On voit facilement sur la figure 7 que le plan (001) fait un angle ©' avec la direction |j 15 J . A nouveau, comme pour © sur la figure 2, on peut 20 calculer mathématiquement ô' et démontrer qu'il est égal à 74,2°. Ainsi, comme le montre la figure 8, une barre cylindrique 33 de matière semiconductrice monocristalline dont l'axe longitudinal 35 coïncide avec la direction cristallographique 25 [j15| présente des plans (115) et (001), représentés par les lignes respectives 37 et 39, qui font avec l'axe longitudinal des angles de 90° et de 74,2° ou ©'. En conséquence, en découpant la barre 33 parallèlement aux plans (115), 37, on obtient des disques circulaires 41, figure 9, dont les surfaces planes 30 coïncident avec des plans cristallographiques (115). De même, en découpant la barre 33 parallèlement aux plans (001), 39, on obtient des disques pratiquement circulaires 43, figures 10 et 11, dont les surfaces planes coïncident avec des plans cristallographiques (001) et font avec l'axe transversal 35 de chaque 35 disque un angle de 74,2°. On voit que l'axe transversal 35 du disque 43 coïncidait avec l'axe longitudinal 35 de la tige 33 avant que le disque 43 n'en soit découpé. Les figures 6 à 11 montrent les relations des directions et plans 115 et 001, mais il est évident pour l'homme de l'art qu'il existe des 72 04483 8 2125358 relations similaires entre d'autres directions et et des plans ^115^ et |l00} • Chose surprenante, le disque pratiquement circulaire fabriqué selon l'invention présente un grand axe dont la lon-5 gueur ne dépasse pas de plus de 7$ celle du petit axe. En fait, quand on découpe le disque dans une tige dont l'axe longitudinal coïncide avec une direction cristallographique faisant Tin angle de 80° avec un plan cristallographique ^100^ , la longueur du grand axe du disque ne dépasse pas de plus de 1, 5f° 10 celle du petit axe. Il est évident que des disques découpés dans des tiges dont l'axe longitudinal fait un angle de 70 à 80f avec un plan cristallographique ^100^ présentent des grands axes dont la longueur dépasse celle des petits axes dans une proportion comprise entre 7 et 1,5$. 15 Comme on a trouvé qu'une direction cristallographique constitue une orientation stable pour la croissance de cristaux de matières semiconductrices de grande perfection, ces tiges d'orientation sont préférables pour la fabrication des disques de l'invention. Quand on découpe des disques 20 dans de telles tiges d'orientation suivant des plans cristallographiques ^100^ faisant un angle de 74,2° avec l'axe longitudinal de la tige, la longueur du grand axe de ces disques ne dépasse pas celle du petit axe de beaucoup plus de 4$. On a décrit l'invention comme étant utile à la fabri-25 cation de disques en n'importe quelle matière semiconductrice monocristalline; cependant, elle est spécialement avantageuse pour la fabrication de disques pratiquement circulaires en germanium ou en silicium, développés par la technique de la zone flottante, dont les surfaces planes coïncident avec des plans 30 cristallographiques -^100^ . Si l'invention est spécialement utile à la fabrication de tranches de silicium, c'est parce que le silicium est davantage contaminé _par_11 oxygène que la plupart des autres matières semiconductrices quand il est tiré par le procédé Czochralski. 35 Généralement, il est possible de faire croître une tige pratiquement cylindrique de matière semiconductrice monocristalline, mais il y a des applications où l'on désire avoir une tige en une telle matière, qui ait un diamètre uniforme sur toute sa longueur et qu'il s'agit de découper en disques. 72 04485 9 2125350 lorsqu'une tige dont on dispose ne possède pas cette uniformité, il est bien connu maintenant dans la technique des dispositifs semiconducteurs que l'on peut la tailler, par exemple par meu-lage non centré, jusqu'à ce que son diamètre soit uniforme sur 5 la longueur désirée. L'un des avantages d'usiner ainsi les tiges à découper dans l'invention est que chaque disque découpé dans la tige présente alors des axes de même grandeur que chaque autre disque découpé dans celle-ci. On a décrit l'invention ci-dessus en détail et on en 10 a donné des exemples de mise en pratique, mais l'homme de l'art verra facilement que l'on peut faire d'innombrables variantes, applications, modifications et extensions des principes de base mis en oeuvre, sans sortir du cadre de l'invention. 72 04483 REVENDICATIONS 1. Disque pratiquement circulaire de matière semi-conductrice monocristalline, obtenu par un procédé de zone flottante, qui comporte des surfaces planes coïncidant avec 5 des plans cristallographiques -[lOO } et faisant un angle de 70 à 80° avec l'axe transversal du disque. 2. Disque selon la revendication 1, dans lequel l'axe transversal coïncide avec une direction cristallographique et les surfaces planes font un angle de 74,2° avec 10 i ' axe. 3. Disque selon la revendication 2, dans lequel la longueur du grand axe ne dépasse pas de plus de 4$ environ celle du petit axe. 4. Disque selon la revendication 1, dans lequel 15 la longueur du grand axe ne dépasse pas de plus de 7$ celle du petit axe. 5. Disque selon la revendication 1, dont la matière semiconductrice est le germanium ou le silicium. 6. Procédé de fabrication d'un disque pratiquement 20 circulaire en matière semiconductrice monocristalline obtenu par le procédé de zone flottante, présentant des surfaces planes qui coïncident avec des plans cristallographique ^100^- , procédé qui consiste à faire croître par une technique de zone flottante me tige pratiquement cylindrique de la matière semi-25 conductrice de façon telle que l'axe longitudinal de la tige coïncide avec une direction cristallographique qui fait un angle de 70 à 80° avec un plan cristallographique ^100^ , et à découper le disque dans la tige suivant des plans cristallographiques ^100^ faisant l'angle mentionné avec l'axe longi-30 tudinal. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'axe longitudinal de la tige coïncide avec une direction cristallographique qui fait un angle de 74,2° avec un plan cristallographique 00^ . 35 8. Procédé seloa la revendication 7, dans lequel la matière semiconductrice est le germanium ou le silicium. 9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on usine en outre la tige jusqu'à ce que son diamètre soit 72 04483 n 2125358 uniforme sur toute la longueur à découper, avant de découper le disque dans la tige. 10. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la matière semiconductrice est le germanium ou le silicium.