Brevet FR2236271A1 — publié le 19750131

L'invention a pour objet une technique de fabrication de jonctions à semi-conducteur qui conjugue un procédé classique d'introduction des impuretés dopantes (diffusion ou implantation ionique) à un traitement par faisceau laser. Il est connu de réaliser une jonction en effectuant l'implantation d'ions dopants dans un substrat semi-conducteur, puis en procédant à un recuit. Le procédé d'implantation a pour effet d'introduire les atomes d'impuretés dopantes dans le réseau cristallin du substrat, mais en des positionsinterstitielles, oO elles ne peuvent agir comme agents conducteurs. Pour obtenir l'ac tivité électrique des ions implantés, il est nécessaire de procéder, après l'implantation, à une opération de recuit qui a pour effet de provoquer une migration des atomes ionisés de l'impureté vers des lacunes o0 ils sont actifs. Selon le procédé connu, cette opération doit, à cet effet, être conduite, dans le cas du silicium dopé au bore par implantation, auquel on se référera plus particulièrement dans la suites à une température de l'ordre de 9500 à 10000C et pendant une durée de l'ordre de 15 minutes. Ce procédé s'applique en particulier à la fabrication de circuits intégrés monolithiques comportant des résistances et des diodes, ou autres composants actifs, ayant certaines caractéristiques que le procédé plus courant de diffusion ne permet pas d'obtenir. Il présente l'inconvénient que, pour réaliser les composants particuliers du circuit intégré qui relèvent de cette technique, il est nécessaire de porter l'ensemble du circuit à la température élevée de recuit, ce qui perturbe les autres composants. Un premier objet de liinvention est d'abaisser notablement la temperature de recuit, ce qui supprime cet inconvénient, et autorise par ailleurs, comme on le verra dans la suite, la réalisation de certains circuits que le procédé classique d'implantation ne permet pas d'obtenir. Suivant un aspect de l'invention, le semi-conducteur est soumis, après implantation ionique de l'impureté dopante, à une irradiation par faisceau laser, localisée à la région du semiconducteur que l'on désire activer et, après cette irradiation, le recuit s'effectue à une température comprise entre 500 et 8000C et de préférence, voisine de 5000C. Ce procédé permet de réaliser dans un circuit intégré des contacts ohmiques entre des diodes et-des résistances obtenues par implantation. Il suffit en effet de localiser le tir laser aux régions où l'on veut réaliser ces contacts, puisque les régions voisines non irradiées, soumises seulement à un recuit de 500OC, ne seront pas activées et conserveront- la résistivité élevée du substrat. Le procédé permet également,#en choisissant la densité d'énergie d'irradiation et la température de recuit, de réaliser localement des diodes ayant certaines- caracteristiques désirées, par exemple une valeur prédéterminée de leur tension d'avalanche. Suivant un autre aspect de l'invention, une jonction réalisée par un- procédé classique de diffusion thermique est soumise à une irradiation par faisceau laser, suivie d'un recuit à une température de l'ordre de 5000C. L'irradiation améliore les caractéristiques électriques de la jonction, mais la fragilise, et le recuit a ici pour but de faire disparaître cette fragilité. L'invention sera mieux comprise# à l'aide de la description ci-après d'exemples de mise en oeuvre du procédé qui en fait l'objet. Au dessin annexé La figure 1 montre des courbes de resistivite en fonction pourl de la température de recuit, respectivement t échantillon de silicium implanté au bore traité par le procédé classique (courbe 3) et pour deux échantillons traités par le procédé d'implantation ionique suivant l'invention (courbes 2 et 3), et la figure 2 montre des courbes de tension d'avalanche en fonction de la température de recuit pour neuf échantillons traités avec des densités d'énergie d'irradiation diffêrentes. Exemple 1 On part d'un substrat de silicium monocristallin du type n, orienté ( t > , de résistivité 5J;/cm. On procède, de façon classique#, à un nettoyage chimique de la surface de la plaquette, par exemple à l'aide d'une solution HNO, + FH dilué. On forme ensuite, sur la surface nettoyée, une couche de masquage d'environ 1,2 microns d'épaisseur, obtenue par oxydation thermique superficielle dans un four à une température de 1100 à 1200 C, en atmosphère d'oxygène ou de vapeur d'eau. Puis l'on procède par photolithogravure à l'ouverture, dans cette couche, de fenêtres ayant la forme des jonctions désirées. Toutes ces techniques sont classiquement utilisées dans la fabrication des jonctions sur les circuits intégrés. L'implantation d'ions bore dans le substr jqnsi préparé s'effectue également de manière classique, par exemple à la temperature ordinaire, sous une tension de 50 KeV, pour mettre en place une dose de 5 x 1015 atomes de bore par cm2. Ensuite, l'on procède à une dexoxydation-partielle à l'aåde Cette oper-ation) également classique dans les techniques d'implantation, a pour effet d'éliminer les atomes de bore implantes superficiellement dans la couche d'oxyde -de masquage. L'irradiation de la région implantée s'effectue de préférence à l'aide d'un dispositif du type décrit dans le brevet français déposé par la Demanderesse le 3 Août 1970, sous le n 70.28.660, pour : "Procédé et appareillage de fabrication de micro-circuits électroniques à l'aide d'un faisceau laser" et dans la première addition. Le laser à rubis du type relaxé, a une durée d'émission de l'ordre de 2 millisecondes Un diaphragme de forme appropriée iso Te, dans la portion centrale du faisceau, une partie très homogène, et une optique forme l'image réduite de ce diaphragme sur le plan supérieur du substrat, ce qui permet le contrôle précis du contour de la zone irradiée ainsi que le contrôle de la densité d'énergie lumineuse. La gamme de densite d'energie utilisée (40 à 80 Joules par-cm2) dégrade peu la surface du silicium, mais le fragilise; il s'agit probablement de contraintes mécaniques apparues lors de l'échauffement et du refridissement rapides créés durant l'impact du faisceau laser. Pour une densité d'énergie plus faible que 40 J/cm2, la tem pérature de recuit nécessaire à l'activation électrique n'est pas sensiblement plusbasse qu'en l'absence d'irradiation. Pour des densités d'énergie supérieures à 80 J/cm2, il y a apparition de cratères importants à la surface du silicium, ce qui dégrade les caractéristiques électriques. Après l'irradiation, l'échantillon est soumis à un recuit pendant 15 minutes (durée classique de cette opération dans la techniques dtimplantation). La durée du recuit n'est d'ailleurs pas critique et pourra varier entre 10 et 30 minutes. A la figure 1, les courbes I et 2, relatives à un échantillon traité comme indiqué ci-dessus en vue de réaliser une résistance, et avec des densités d'énergie d'irradiation de l'ordre de 60J/cm2 montrent que la résistivité en-surface R (exprimée enlt/cm2), est faible et ne varie pratiquement pas pour des températures de reçuit T comprises entre 500 et 10000C. On utilisera donc une tem pérature de recuit de 500 C;Dans le procédé classique, l'activa- tion ne serait obtenue qu'avec une température de recuit de 1000 C, comme le montre la courbe 3, relative au même échantillon non irradié. A la figure 2, les courbes 1 à 8 sont relatives à des échantillons traités comme indiqué ci-dessus en vue de réaliser des diodes à avalanche. Dans le tableau-, N indique le numéro de l'é- chantillon (porté sur la courbe correspondante) VB la tension d'avalanche avant recuit et E la densité d'énergie d'irradiation, T exprime en J/cm2. La température de recuit/est exprimée en degrés C, les tensions V+ et B V8 (tension d'avalanche après recuit), en volts. La courbe 9 correspond à un échantillon traité de la même façon, mais non irradié. On remarque que, pour la diode non irradiée, le recuit aux températures indiquées ne modifie pas sensiblement la tension d'avalanche: il n'y a pas eu d'acivation; celle-ci n'interviendrait que pour une température de recuit beaucoup plus élevée. (La chute de VB observée au-delà de 6500 est due à une pollution accidentelle). Pour les diodes irradiées, l'activation se produit, d'une manière croissante jusqu'à 6000 environ. Au-delà de 6500, l'activation va en décroissant en fonction de la température de recuit. A partir de 7000, elle disparaît, et les valeurs de V8 correspondent alors à la valeur naninale de la resistivite du substrat. En fonction de la tension d'avalanche désirée, on pourra donc choisir la densité d'énergie d'irradiation (entre 6Q et 80 J/cm2 environ) et la température de recuit (entre 500 et 6500 environ). Exemple 2 Une diode à avalanche est realisée suivant le procédé classique de diffusion thermique. On effectue, sur la jonction ainsi réalisée, une irradiation laser dans les mêmes conditions qu'a l'exemple 1, suivie d'un recuit à 5000C. On observe une augmentation spectaculaire de la tension d'avalanche pour des densités moyennes d'énergie d'irradiation (pour une surface de 10 4cl2, la valeur du courant inverse est de quelques micro-ampères). La densité d'énergie d'irradiation ne doit pas dépasser 800J/cm2; sinon, l'on constate une décroissance de la tension d'avalanche. Ces diodesodont le tenue en tension# est supérieure à 200v après un recuit à 500CC, voient leur tension d'avalanche revenir, après un recuit à 7000C, à la valeur initiale mesurée avant l'irradiation. Les exemples ci-dessus ne sont pas limitatifs. L'irradiation par faisceau laser, conjuguée à une technique classique de fabrication de jonctions (diffusion ou implantation ionique) modifie les caractéristiques électriques du produit, quels que soient le semi-conducteur et le dopant utilisés. REVENDICATIONS 1- Procédé de fabrication de jonctions à semi-conducteur, comportant l'introduction d'une impureté dopante dans un substrat monocristallin par diffusion thermique ou implantation ionique, carac térise par une irradiation localisée de l'éçhantillon par faisceau laser, avec des densités d'énergie comprises entre 40 et 2 80 Joules/cm, suivie d'un recuit à température comprise entre 500 et 650 C. 2- Procédé de fabrication de di-odes à avalanche conforme la revendiation 1, caractérisé par l'introduction d'une impureté dans le substrat par diffusion thermique, suivie de l'irradiation par faisceau laser et du recuit à température comprise entre 500 et 650oc. 3- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'implantation ionique de l'impureté dans le substrat, suivie de l'irradiation et du recuit à température comprise entre 500 et #6500C. 4- Procédé de fabrication d'une résistance en circuit intégré conforme à la revendication 3, caractérisé par un recuit à une température de l'ordre de 500 C. 5- Procédé selon la revendication 1 ou 3i caractérisé par une irradiation au moyen d'un laser à rubis du type relaxé, pendant une durée de l'ordre de 2-millîsecondes, avec formation, sur la région du substrat à irradier, d'se image séduite d'un diaphragme de contour approprie, qui isole une portion initiale homogène du faisceau laser.