Brevet FR2148166A1 — publié le 19730311

L'invention concerne des matières semiaonductriees monocristallines et plus particulièrement, des matière de ce genre développées par une technique à zone flottante. En cristallographie, l'identification des directions et plans cristallographiques s'effectue par un système de trois nombres appelés indices de Miller. Les brevets et la littérature technique abondent en explication sur les indices de Veiller et il n'est donc pas nécessaire d'en parler en détail ici. Toutefois, dans la suite de la présente description, il est entendu que lorsque des directions et plans cristallographiques ont la m8me représentation numérique, ces directions et plans sont perpendiculaires entre eux.D'autre part, les indices de Miller entourés par [ i représentent une direction déterminée, les indices entourés par Habituellement, les matières semiconductrices sont principalement utilisés industriellement sous forme de disques de matières semiconductrices présentant des surfaces planes qui coïncident avec les plans cristallographiques principaux {100} , {110} et {111} . Toutefois, les propriétés des matières semiconductrices ponocristallines sont anisotropes. En conséquence, il se peut que des disques d'une matière semiconductrice qui ont les memes dimensions, mais dont les surfaces planes colncident avec des plans cristallographiques différents, ne soient pas interchangeables pour certaines applications. Par exemple, les dispositifs du type semiconducteur à oxyde de métal (SOS) utilisent avantageusement un support présentant une faible densité de charge d'état de surface. Dans les matières semiconductrices qui ont une structure de diamant à maille cubique, la densité de charge d'état de surface d'un disque présentant des surfaces planes (111) ou (110) est supérieure à la densité de charge d'état de surface d'un disque qui présente des surfaces planes (100), et en conséquence, les dispositifs MOS fabriqués à partir des disques à surfaces planes (100) sont généralement supérieurs aux dispositifs MOS fabriqués à partir des disques à surfaces planes (111) ou (110). En outre, étant donné que des disques de matière semi conductrice monocristalline exempte de dislocations et possédant des surfaces planes i1119 présentent une surface atomique dense et lisse, ces disques ne sont pas facilement mouillés par des contacts d'alliage métallique. Pourtant certains dispositifs électroniques doivent être fabriqués à partir de disques de matière semiconductrice possédant des dislocations et présentant des surfaces planes t , puisque les dislocations améliorent 11 aptitude au mouillage. Malheureusement, les dislocations dégradent aussi le dispositif électronique. Des dis ques de cette matière qui ont des surfaces planes #81005t présen- tent une surface atomique plus rugueuse et sont plu#s faciles à mouiller.Il existe encore d'autres raisons pour lesquelles on préfère l'une des surfaces planes cristallographiques aux autres. Un procédé largement utilisé pour développer des barres de matière semiconductrice monocristalline est le procédé par attraction de cristal découvert par Czochralski qui fait maintenant partie des connaissances de base dans la technique de développement des cristaux et qui a été décrit par J. Czochralski dans un article intitulé "Measuring the Velocity of Orystallization of Metals", publié dans le volume 92 de Zeitschrift für Physikalische Chemie, page 219, en 1957. De nombreuses variantes de ce procédé sont également maintenant largement connues. Pour de nombreuses applications, des disques de matières semiconductrices monocristallines coupés dans des barres développées par la technique de Ozochralski conviennent. Toutefois, un inconvénient du procédé Ozochralski est que le creuset utilisé pour contenir une solution fondue de la matière semiconductrice qu'il s'agit de développer en une barre, produit des impuretés dans la matière semiconductrice. Quand la matière est le silicium, l'introduction d'oxygène dans le silicium fondu est un inconvénient grave. Pour éviter les impuretés inhérentes à la technique de Czochralski, on peut développer une barre de matière semiconductrice monocristalline par la technique de cristallisation à zone flottante. Des- publications anciennes sur la technique à zone flottante comprennent les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 2.739.088 et 3.060.123. De nombreux brevets et articles ont été publiés depuis sur des variantes de la technique à zone flottante. Malheureusement, si la technique à zone flottante fournit bien un moyen d'éviter l'introduction d'impuretés dans la matière semiconductrice monocristalline développée, on ne peut pas développer toutes les orientations cristallographiques par la technique à zone flottante et on éprouve de grandes difficultés lorsqu'on tente de développer par la technique à zone flottante des barres orientées dans une direction cristallographique (100). En conséquence, la quasi-totalité des cristaux développés commercialement par le procédé à zone flottante sont orientés dans une direction cristallographique . Mais certaines barres de matières semiconductrices monocristallines que l'on développe dans une direction cristallo graphique Autrement dit, un disque de matière semiconductrice monocristalline coupé perpendiculairement à l'axe longitudinal d'une barre développée dans une direction cristallographique présente généralement une différence notable de résistivité spécifique à peu près sur le tiers central du disque. Ce manque d'uniformité résulte du fait qu'un cristal cubique à structure de diamant développé à partir d'une matière fondue tend à se propager par prolongement latéral de plans C {111 et c'est ce qu'on appelle, dans la technique des semi: conducteurs, une "formation de coeur" ou un "effet de facette". Dans le développement de grandes barres de matière semiconductrice exempte de dislocations dans une direction cristal lographique#111#, il se produit des déviations en forme de renflement à la périphérie de la barre, ce qui fait que la croissance de la barre est difficile à régler et qu'il faut meuler la barre avant son utilisation pour la plupart des applications industrielles. Ces déviations en forme de renflement se produisent apparemment à cause de la tendance déjà mentionnée que présente la croissance cristalline à se propager selon des prolongements latéraux des plans # 111 4 et à cause de la forme de l'interface solide/liquide près de la circonférence du cristal. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3.194.691 décrit un procédé visant à diminuer fortement la "formation de coeur" ou "l'effet de facette" décrits plus haut, dans une barre de matière semiconductrice monocristalline, en choisissant l'orientation de la barre de façon telle qu'en aucun point les directions cristallographiques principales ne soient perpendiculaires à l'interface solide/liquide pendant le développement du cristal. Afin d'assurer que la normale à l'interface, en tous ses points, s'écarte suffisamment d'une direction [ 111 ] , on choisit l'angle minimal entre la direction de développement et les directions#111 > du cristal de façon qu'il soit supérieur à 5 degrés ne dépassant pas 300.Une fois que l'on a développé la barre de matière semiconductrice monocristalline décrite par Dikhoff, on la coupe en tranches ou disques en divisant la barre le long de plans pratiquement perpendiculaires à l'une de ses directions cristallographiques principales. Etant donné que les matières semiconductrices sont coûteuses, la matière perdue par le fait que l'on ne coupe pas la barre perpendiculairement à son axe longitudinal est coûteuse. En outre, étant donné que l'industrie des semieonducteurs travaille normalement des disques pratiquement circulaires de matière semiconductrice, la plupart des disques découpés dans les barres développées par le procédé Dickhoff ne conviennent pas pour l'industrie parce qu ils sont fortement elliptiques. Enfin, Dickhoff n'utilise pas de tranches ou disques coupés perpendiculairement à l'axe longitudinal des barres développées selon son procédé décrit plus haut. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3.366.462 décrit un procédé de fabrication dtune barre d'alimentation orientée dans une direction . Ainsi, les deux derniers brevets cités décrivent le développement de barres dans des directions autres que , , 110) et Le but principal de la présente invention est donc d'obtenir une barre pratiquement cylindrique de matière semiconductrice monocristalline à zone flottante présentant un profil de résistivité radiale relativement uniforme et que l'on puisse couper perpendiculairement à son axe longitudinal pour obtenir des disques circulaires de matière semiconduc trice monocristalline présentant une résistivité radiale, des densités de charge d'état de surface et des caractéristiques de mouillabilité adéquates. Un autre but est d'obtenir une barre comme ci-dessus qui soit exempte de dislocations et qui croisse sans déviations en forme de renflement à sa périphérie. Un autre but est encore de fournir un procédé efficace de fabrication du disque sensiblement circulaire ci-dessus. Enfin, un autre but est d'utiliser au moins une portion du disque ci-dessus dans la fabrication d'un dispositif ou circuit électronique. Conformément à ces buts et à d'autres, on a découvert et la présente invention enseigne que l'on peut développer une barre cylindrique de matière semiconductrice monocristalline dont l'axe longitudinal coïncide avec une direction cristallographique faisant un angle compris entre 70 et 80 degrés avec un plan- #t100 , par une technique à zone flottante utilisant un germe cristallin qui a une orientation cristallographique identique à celle de la barre développée.La barre développée présente une résistivité radiale relativement uniforme et des disques de matière semiconductrice coupés dans la barre perpendiculairement à son axe longitudinal ont des profils de résistivité radiale plus uniformes, de moindres densités de charge d'état de surface et une plus grande aptitude au mouillage que les disques antérieurs de matières semiconductrices. De préférence, la barre peut être développée sans dislocation et dans une direction . L'invention est particulièrement utile pour la fabrication de disques de germanium et de silicium. Les disques obtenus par le procédé de l'invention peuvent remplacer des disques présentant des surfaces planes i ou OC #100? dans la fabrication de la plupart des disposi J fus et circuits électroniques. D'autres buts et avantages apparaîtront à lthomme de l'art à la lecture de la description détaillée ci-après, parallèlement au dessin annexé dont la figure unique est une élévation latérale d'une barre cylindrique de matière semiconductrice monocristalline dont l'axe longitudinal coïncide avec la direction [ 115 ] et montre les relations entre la direction [ 115 ] , les plans (115) et les plans (100). La barre de matière semiconductrice monocristalline selon l'invention peut être développée par toutes les techniques connues à zone flottante dont quatre exemples sont cités plus hauts En bref, dans un processus à zone flottante, on monte verticalement, dans un four approprié pour développement de barres semi-conductrices, une barre d'alimentation, de préférence cylindrique, en matière semiconductrice désirée, par exemple en silicium ou en germanium. De préférence, on peut faire tourner la barre d'alimentation autour de son axe vertical. Puis, par un moyen de chauffage approprié, par exemple au moyen de radiofréquences, d'appareils de chauffage à rayonnement ou à faisceau électronique, on forme une zone fondue de matière semiconductrice à une extrémité de la barre d'alimentation. On fusionne alors à la zone fondue de matière ou on plonge dans celle-ci un germe monocristallin généralement de la même matière semiconductrice dont l'axe longitudinal coïncide avec une direction cristallographique désirée et on le retire de la zone de façon telle que la matière fondue se solidifie sur le germe cristallin. Généralement, on monte le germe cristallin de façon que l'on puisse le faire tourner autour de son axe vertical à une vitesse de l'ordre de 10 à 100 tours/mn. Alors, en faisant passer la zone fondue longitudinalement à travers la barre d'alimentation de matière semiconductrice et simultanément en retirant davantage de la zone fondue le germe cristallin, on développe ou on tire pratiquement toute la barre d'alimentation en une barre de matière semiconductrice monocristalline. Généralement, la zone fondue se déplace à travers la barre d'alimentation à 1 à 5 mm/mn. Dans le procédé de l'invention, on prépare le germe cristallin de façon que son axe longitudinal coïncide avec une direction cristallographique faisant un angle compris entre 70 à 80 degrés avec un plan cristallographique S100 . On peut scier le germe cristallin dans une autre barre obtenue par zone flottante, à l'aide de rayons X afin d'orienter convenablement le processus de sciage. De préférence, l'axe longitudinal du germe cristallin peut #oincider avec une direction #115#qui fait un angle de 74,2 degrés avec un plan ,100 & )et- -est représentative des germes cristallins de l'invention. Lorsquton utilise un tel germe cristallin dans une technique à zone flottante pour développer des barres semiconductrices, l'axe longitudinal de la barre développée colncide avec une direction Etant donné que l'orientation du germe cristallin de l'invention empêche les directions cristallographiques principales d'être perpendiculaires à l'interface solide-liquide pendant le développement d'une barre par le procédé de l'invention, on évite la "formation de coeur" ou 1' "effet de facette" et la barre développée par le procédé de l'invention présente une résistivité radiale relativement uniforme.Chose surprenante, peut-être parce que le plus petit angle entre la direction de développement et une direction n'est jamais inférieur à 3roc,7 degrés contre un maximum de 300 dans le procédé du brevet des Etats-Unis d'kmérique NO 3.194.691 déjà cité, la différence relative entre la résistivité spécifique de deux points quelconques de la barre qui sont placés transversalement l'un par rapport à l'autre est en principe inférieure à 4% pour des cristaux non compensés. (On appelle "différence relative" le rapport entre la différence et la moyenne des résistivités spécifiques des deux points multiplié par 10#c'). En outres quand on développe la barre de l'invention sans dislocations dans son réseau cristallin, il n'apparat pas de déviations notables en forme de renflements à sa périphérie. Des procédés permettant de développer des barres de matière semiconductrice exemptes de dislocations sont décrites par les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 3.135.585 et 3.159.459.Chose encore plus surprenante, on a découvert que l'on obtient des disques de matière semiconductrice ayant des caractéristiques désirables en coupant la barre de l'invention perpendiculairement à son axe longitudinal, de sorte que les surfaces planes des disques coincident avec des plans cristallographiques faisant un angle compris entre 10 et 20 degrés avec un plan cristallogra phique t100} . Quand on coupe la barre 33 perpendiculairement à son axe longitudinal 35, on obtient des disques 41 de matière semiconductrice monocristalline présentant des surfaces planes qui coïncident avec un plan cristallographique (115). Un plan (115), représenté par la ligne 37, est perpen diculaire à la direction C1151 avec laquelle coïncide l'axe longitudinal 35. Un plan (100), représenté par la ligne 39, fait un angle de 74,2 degrés avec la direction [ 1151 représentée par l'angle Ot. Par la figure, on peut facilement voir que les plans (100) et (115) se coupent sous un angle W qui est visiblement le complément de l'angle 68.Donc, on voit facilement que l'angle entre les plans (100) et (115) est de 15,8 degrés. Outre qu'ils présentent le profil relativement uniforme de résistance radiale. de la barre décrite plus haut, des considérations de structure fondamentale de charge indiquent que les disques de l'invention, représentés par les disques 41; ont une moindre densité de charge d'état de surface que des disques de la même matière présentant des surfaces planes qui coïncident avec des plans cristallographiques #11 ou ou 4100\ .En outre, des disques selon l'invention qui sont qui sont découpés dans une barre de matière semiconductrice monocristalline, exempte de dislocation ont de meilleures caractéristiques d'aptitude en mouillage que des disques de la même matière, avec ou sans dislocation, qui présentent des surfaces planes colncidant avec des plans cristallogra phiques t1115 # .Le disque de l'invention peut remplacer dans la fabrication de la plupart des dispositifs électroniques, des disques de matière semiconductrice monocristalline présentant des surfaces planes qui coincident avec des plans cristallographiques (100) ou (111).Plus particulièrement, la résistivité radiale uniforme et la meilleure aptitude au mouillage du disque de l'invention sont souhaitables lors de la fabrication de thyristors tandis que la faible densité de charge d'état de surface du disque est souhaitable pour la fabrication de dispositifs MOS. il est bien connu dans l'industrie des semiconducteurs que si un disque de matière semiconductrice peut avoir un rayon atteignant 54 mm, dans la plupart des dispositifs électroniques, on utilise seulement une très petite portion de ce disque, habituellement appelée pastille, pour chaque dispositif fabriqué. On a décrit ici la barre de l'invention comme étant tirée à partir d'une zone fondue de matière semiconductrice par un germe cristallin dont l'axe longitudinal coïncide avec la direction cristallographique désirée de croissance, mais il est évident pour l'homme de l'art que l'on peut développer une telle barre au moyen d'un germe cristallin dont l'axe longitudinal colncide avec une autre direction cristallographique, si l'on plonge obliquement ce germe cristallin dans la zone fondue et si on l'en retire sous un angle approprié. On a décrit l'invention de façon détaillée et donné des exemples de la façon dont elle peut être mise en pratique; l'homme de l'art verra facilement que l'on peut prévoir d'innombrables variantes, applications, modifications et extensions des principes fondamentaux mis en oeuvre, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Disque de matière semiconductrice monocristalline du type à zone flottante, caractérisé en ce qu'il comporte des surfaces planes coïncidant avec des plans cristallographiques qui font un angle compris entre 10 et 20 degrés avec un plan cristallographique j100 i . 2. Disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces planes coïncident avec des plans cristallographiques 4115} et dont un angle de 15,8 degrés avec un plan cristallographique 3. Disque selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la matière est exempte de dislocation dans son réseau cristallin. 4. Disque selon lune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière semiconductrice est le germanium ou le silicium. 5. Procédé à zone flottante pour le développement d'une barre de matière semiconductrice monocristalline dont l'axe longitudinal est situé dans une direction cristallographique préférentielle, caractérisé en ce qu'on forme une zone fondue à une extrémité d'une barre d'alimentation de ladite matière semiconductrice, on fait passer longitudinalement cette zone à travers la barre, on plonge dans la zone fondue un germe monocristallin de la matière semiconductrice, et on l'en retire de façon telle que la barre de matière semiconductrice monocristalline soit tirée de la zone fondue de matière par le germe cristallin, l'immersion du germe monocristallin dans la zone fondue et son retrait s'effectuant de façon telle que l'axe longitudinal de la barre développée fasse un angle compris entre 70 et 80 degrés avec un plan cristallographique 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'axe longitudinal du germe monocristallin coïncide avec une direction cristallographique qui fait un angle compris entre 70 et 80 degrés avec un plan-cristallographique t100 . 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'axe longitudinal du germe monocristallin coïncide avec une direction cristallographique 2 degrés avec un plan cristallographique {100}.