Brevet FR2280976A1 — publié le 19760227

L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur, et plus particulièrement une méthode pour réduire ou éliminer sensiblement des modifications cristallographiques et/ou des dislocations aux limites ou bords du cristal provoquées au cours de la fabrication d'un monocristal au silicium d'un dispositif semiconducteur. Ce nouveau procédé estVar- ticulièrement utile pour empêcher la formation de défauts dans le réseau du monocristal, défauts qui fréquemment affectent la performance des transistors bipolaires et des circuits intégrés réalisés sur ce monocristal. On a observé que la formation de modifications cristallographiques dans les pastilles monocristallines au silicium influencent malencontreusement les paramètres électriques des dispositifs à semiconducteur fabriqués dans ces pastilles. On pense que la majorité des modifications cristallographiques et/ou des dislocations aux bords de la pastille de silicium sont provoquées par les gradients radiaux de température qui apparaissent aux bornes de la pastille au cours de la fabrication des dispositifs à semiconducteur du fait que cette fabrication nécessite des opérations à très haute température (800 OC-12500C). On a également observé que les modifications cristallographiques et/ou les dislocations aux bords de la pastille de silicium affectent les paramètres électriques des dispositifs à semiconducteur réalisés, et particulièrement si la précipitation d'un métal ou une augmentation de la diffusion d'atomes dopant apparat aux endroits défectueux de la pastille. Une amélioration considérable de la production peut être réalisée pour des structures à semiconducteur ayant une base étroite en recouvrement, par exemple si les modifications précitées dans les pastilles sont réduites. On a déjà proposé de réduire les modifications cristallographiques pendant le traitement à haute température des pastilles de silicium, par exemple, en plaçant lesdites pastilles dans un four en position horizontale sur un chariot plat ou une nacelle plate en quartz. Cette technique de chauffage est connue sous le nom de "traitement à plat". Cette méthode de chauffage cependant, a pour inconvénient de réduire la capacité utile du four dans un rapport un à trois par rapport à un traitement vertical.Le procédé de traitement à plat, par conséquent, n'est pas pratique pour la production en série d'une grande quan tité de dispositifs à semiconducteur. L'invention vise ~a pallier les inconvénients précités. j'invention propose un procédé de fabrication d'un dispositif à semiconducteur comprenant du silicium selon lequel ledit silicium est chauffé pendant un certain temps à une température située au-dessus de 8000 C, et selon lequel la qualité dudit dispositif est fonction de l'absence de déformations cristallographiques et/ou de dislocations aux bords du silicium, caractérisé en ce qu'il cnnsiste à - a) augmenter la température dudit dispositif C partir de 8000C progressisement jusqu'à ladite haute température e un rythme inférieur à 2000C par minute - b) laisser ledit dispositif à ladite haute température pendant ladite période de temps, et - c) abaisser ladite haute température dudit dispositif graduellement jusqu'à environ 8000C à un rythme inférieur à 2000C par minute. C'est également un but de l'invention, de proposer un nouveau procédé pour réitérer les étapes a, b, c précitées pour chacune des opérations de chauffage qui peuvent être nécessaires dans la fabrication d'un élément à semiconducteur à partir d'un monocristal au silicium. C'est également un but de l'invention, de mettre en oeuvre le procédé avec des pastilles de silicium qui sont maintenues dans une position verticale au cours de l'opération de chauffage. De façon à évaluer les effets de réduction du rythme de croissance et de décroissance de la température du monocristal au silicium afin de réduire les modifications cristallographiques et les dislocations aux bords de la pastille, un groupe de 80 pastilles monocristallines au silicium de 50,8 mm de diamètre, de 0,36 à 0,38 mm d'épaisseur, et polies sur un côté à orientation 100 est divisé en quatre lots de 20 pastilles chacun. Les patilles sont insérées et retirées d'un four à rayons du type à tube, chaufte'eeà11500C suivant des vitesses différentes. Le four contient une ambiance d'oxygène sec. Dans chaque cas, les pastilles sont maintenues dans une position verticale perpendiculaire au courant d'oxygène, en utilisant une nacelle en quartz qui possède les fentes d'approximativement 2 mm.Chaque lot est traité trois fois de la température ambiante à la température de 11500C, et chaque fois les pastilles sont destinées ~- être stabilisées à la température de 11500C pendant une période de dix minutes avant d'être enlevées du four pour être refroidies jusqu'à la température ambiante. Le four utilisé pour l'expérimentation est un four horizontal à rayons du type à tube d'un diamètre de 7,62 cm avec une zone de chauffage uniforme d'approximativement 61 cm. La nacelle contenant les pastilles de silicium est positionnée au centre de ladite zone de chauffage uniforme. Le profil de la température du four est connue, et la vitesse d'introduction et de retrait des pastilles de silicium à l'intérieur et hors de la zone de chauffage uniforme du four, sont respectivement calculées en OC par minute. Nous avons observé qu'aucune modification cristallographique et/ou les dislocations associées sur les bords des pastilles apparaissent dans les pastilles de silicium lorsque celles-ci sont chauffées à des températures de 8000C ou en dessous. Le premier lot de 20 pastilles au silicium est introduit rapidement, en approximativement cinq secondes, à l'intérieur du four. Les pastilles sont maintenues à la température de 11500C pendant dix minutes, et ensuite retirées du four en approximativement cinq secondes. Une fois retirées du four, on a observé que les pastilles situées aux extrémités de la nacelle ont été refroidies uniformément. Les pastilles situées au centre de la nacelle restent à une température plus élevée pendant une période de temps plus grande, et leur périphérie se refroidie avant leur zone. centrale . Toutes les pastilles du premier groupe sont traitées avec un HF aqueux pour enlever toute formation d'oxyde, et gravées par une solution dénommée "Dash" comprenant 12 parties de CHDCOOHS 5 parties de HN03 à 70%, et 1 partie d'HF à 49% pendant une durée de 16 heures pour révéler les régions ayant subi les déformations cristallographiques. Les déformations sont progressivement croissantes sur les pastilles chauffées sensiblement au centre de la nacelle, les pastilles centrales subissant à la fois un certain affaissement et un certain gondolement. Le second lotde 20 pastilles de silicium est introduit dans la zone de chauffage du four rapidement (environ 5 secondes), chauffées pendant 10 minutes à la température de 1150 C, et retirées lentement du four à une vitesse correspondant sensiblement à 12, 7 cm par minute, ce qui équivaut à refroidir lesdites pas tilles graduellement à un rythme de refroidissement correspondant sensiblement à 160 C par minute. Toutes les pastilles sont refroi- dies uniformément lorsqu'elles passent de la zone de chauffage à la zone de refroidissement.On a observé, cepend & t, que après le traitement pour évIter toute formation d'oxyde, et le traitement de gravure par la solution "Dash", toutes ces pastilles, y compris celles situées aux extrémités de la nacelle, révèlent la présence de déformations cristallographiques importantes.Comme précédemment, les déformations sont plus importantes dans les pastilles situées au centre de la nacelle, que dans celles situées aux extrémités de celle-ci. Le degré d'affaissement, cependant, est moindre ue celui observé dans les pastilles du premier lot oui ont été in toduites et retirées rapidement, et que l'onnta pas de présence de gondolement dans les pastilles de silicium du second lot. Le troisième lot de pastilles de silicium est introduit dans la zone de chauffage du four rapidement fa une vitesse corrcsr#ondant sensiblement à 12, 7 cm par minute, ce qui équivaut à augmenter progressivement la température à une vitesse maximum de 1600C par minute). Après avoir laissé les pastilles du troisième lot dans la zone de chauffage à 11500C pendant dix minutes ces pastilles sont retirées lentement du four à une vitesse correspondant à environ 12,7 cm par minute (ce qui équivaut à refroidir lesdites pastilles progressivement à une vitesse maximum de 1600C par minute). Le traitement pour empêcher la formation d'oxyde et le traitement de gravure par la solution "Dash" ne révèlent pas de déformation sensible et/ou de dislocation aux bords de l'ensemble des nastil- les contenues dans la nacelle. Le quatrième lot de pastilles de silicium est Inséré à 'in- térieur de la zone de chauffage du four à une vitesse correspondant sensiblement à 12,7 cm par minute (ce qui équivaut 8 atteindre la température de chauffage progressivement à un rythme maximum de croissance d'environ 1600C par minute). Après avoir chauffé ces pastilles à 11500C pendant dix minutes, les pastilles sont retirées lentement à une vitesse correspondant sensiblement à 5,35 cm par minute (ce qui équivaut à une température de refroidissement décroissant rapidement à un rythme d'environ 1000C par minute). Le traitement pour empêcher la formation d'oxyde, et le traitement de gravure par la solution "Dash" ne révèlent aucune déformation et/ou dislocation aux bords des pastilles de ce quatrième lot. Comme la production de dispositifssemiconducteur dans un procédé de fabrication est fortement influencée par la qualité cristallographique des pastilles à partir desquelles sont constitués lesdits dispositifs, il est important de minimiser les déformations cristallographiques et les dislocations des bords des pastilles. Toutes les opérations de chauffage employant l1in- sertion et/ou le retrait rapide des pastilles de silicium du four provoquent des affaissements des pastilles, et dans certains cas un gondolement important desdites pastilles. Les différents tests précédents ont montré qu'un simple retrait lent des pastilles de silicium du four, sans une insertion rapide, tout en apportant un certain perfettionnement par rapport aux pastilles introduites et retirées rapidement, n'éli mine:" pas les affaissements des pastilles. Les gradients radiaux de température apparaissent dans les pastilles lorsqutel- les sont insérées dans le four. Ainsi, il est nécessaire dtinsé- rer et de retirer les pastilles lentement. Une insertion et un retrait lent des pastilles du four est une autre approche du "traitement à plat" pour minimiser les déformations cristallographiques.Un avantage du procédé conforme à l'invention, est qu'uzSlombre plus important de pastilles peut être traité car elles sont maintenues dans le four dans une position verticale, ce qui permet de mieux utiliser la capacité utile de celui-ci. Pour certains traitements chauds, tels qu'une oxydation thermique, la réalisation de poches N+ de circuit intégré obtenues par diffusion, une diffusion d'isolation, et des diffusions P+, par exemple, où le temps total de chauffage est long, les temps d'introduction et de retrait des pastilles sont négligeables. Pour les diffusions de base et d'émetteur, où le contrôle de la profondeur de la Jonction est très critique, et où les temps de diffusion sont très courts, les temps d'introduction et de retrait des pastilles sont à considérer. Une façon d'éviter ce problème est d'insérer les pastilles par une extrémité du four et de les retirer par l'extrémité opposée, ce qui compense en moyenne le temps où le gradient de température apparaît le long de la nacelle. les valeurs relatives aux températures et aux temps, mentionnées ci-dessus ne sont pas critiques et ne sont données qu'à titre d'exemple. Actuellement, en accord avec le procédé con forme à l'invention, lorsqu'un monocristal au silicium est chauffé une température au-delà de 8000 C, on peut obtenir ladite température en progressant graduellement à un rythme compris entre 150 et 2000C par minute, et la température des pastilles est abaissée, après le temps de chauffage nécessaire, jusqutà environ 8000C à un rythme de décroissance compris entre environ 150 et 2000C par minute. On obtient aucun avantage supplémentaire si le chauffage et le refroidissement des pastilles se font à des rythmes inférieurs à 1500C par minute. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au procédé décrit qui n'a été donné uniquement qu'à titre d'illustration, mais comprend toutes les équivalences techniques des différentes phases décrites dans le procédé, si celles-ci sont réalisées et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Procédé de fabrication d'un dispositif à semiconducteur comprenant du silicium selon lequel ledit silicium est chauffé à une haute température située au-dessus de 8000C pour une certaine période de temps, selon lequel la qualité dudit dispositif est fonction de l'absence de déformations cristallographiques et/ou de dislocations aux limites du silicium, caractérisé en ce qu'il consiste à - augmenter la température dudit dispositif à partir de 8000C Jusqu'à obtenir ladite haute température suivant un rythme inférieur à 2000C par minute, - laisser ledit dispositif à ladite haute température pendant ladite période de temps, et - abaisser ladite haute température dudit dispositif jus- quàenviron 8000 C graduellement suivant un rythme de décroissance inférieur à 2000C par minute. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif précité est chauffé au-delà de 8000C - plusieurs fois, les différentes étapes précitées étant répétées pour chacune desdites opérations. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la haute température précitée est comprise entre 8000C et 12500C, le rythme de croissance de ladite température étant compris entre 1500C et 2000C par minute, et le rythme de décroissance de ladite température étant compris entre 1500C et 2000C par minute. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rythme de croissance de ladite haute température est d'environ 1G00C par minute, et le rythme de décroissance de ladite haute température est d'environ 1600C par minute. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit silicium est constitué par une pastille de silicium, ladite pastille étant maintenue dans une position verticale lorsqu'elle est chauffée.