Brevet FR2274351A1 — publié le 19760109

La présente invention concerne un procédé de fabrication de plaquettes à partir d'un lingot monocristallin semiconducteur obtenu en position sensiblement horizontale par cristallisation progressive dans une direction longitudinale, le matériau dudit lingot ayant une structure cristalline présentant des plans cristallographiques préférentiels. Les matériaux semiconducteurs utilisés en électronique n'ont pas une structure cristalline isotrope. Certaines directions de leur réseau cristallin correspondent à des propriétés optimales. Par exemple, des dispositifs semiconducteurs réalisés à partir de composés III-V cristallisant dans le système du diamant sont obtenus de préférence à partir de plaquettes planes découpées dans un lingot suivant des plans d'orientationC100). Par contre, la cristallisation des mêmes matériaux à partir d'une phase liquide s'effectue préférentiellement par tirage suivant une autre direction, la direction par exemple pour les mêmes composés III-V. Ainsi, quand un lingot semiconducteur d'arséniure de gallium est obtenu à partir d'une phase liquide par une méthode Bridgman horizontale ou une méthode à fusion de zone, également horizontale, la direction de tirage adoptée préférentiellement est la direction . L'interface isotherme solide-liquide est normal à cette direction et la coupe du lingot pour obtenir des plaquettes est faite de préférence suivant les plans'Ci00), cette coupe oblique ayant en outre l'avantage de donner des plaquettes de plus grande section qu'une coupe normale. Mais au cours de la formation progressive d'un lingot, le coefficient de ségrégation des impuretés de dopage ajoutées au matériau, et aussi celui des impuretés indésirables, provoque une variation de concentration de ces diverses impuretés sur toute la longueur du lingot.Les coupes obliques par rapport au plan de croissance donnent ainsi des plaquettes dont la concentration de dopant et, partant les caractéristiques électriques, ne sont pas identiques en tous points de leur surface. En particulier, la mobilité des porteurs et la résistivité varient d'un point à un autre d'une même plaquette. On a cherché à améliorer l1homogénéité dans tout le volume d'un lingot cristallisé à partir d'une phase liquide mise en présence d'un germe monocristallin, en orientant le germe de façon que la direction du plan préférentiel choisi qui est l'un des principaux plans du réseau cristallin, soit inclinée d'un angle appréciable par rapport à la direction du plan de l'interface de cristallisation solide-liquide en cours de croissance du lingot. Un tel procédé est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 194 691, l'angle d'inclinaison étant d'au moins 50, et de 300 au plus si l'on considère l'inclinaison minimale dans le cas d'un interface de cristallisation solide-liquide qui ne serait pas plan. Le lingot est alors découpé suivant des plans parallèles au plan principal considéré, différent des plans d'interface solide-liquide en cours de cristallisation. Ce procédé vise à pallier une certaine inhomogénéité du lingot dans le sens transversal et tend à obtenir une partie centrale et une partie périphérique de lingot sensiblement de memes caractéristiques. Mais le défaut d'homogénéité de dopage dans le sens longitudinal, dû à la ségrégation et particulièrement marqué dans les méthodes de cristallisation Bridgman, n'est pas pris en compte et se retrouve dans les plaquettes découpées selon une famille de plans différents du plan de croissance du lingot. La présente invention a notamment pour but de pallier cet inconvénient des méthodes de cristallisation connues, et de permettre l'obtention de plaquettes planes de matériau semiconducteur dopé dont le plan de surface correspond à une direction cristallographique préférentielle et dont tous les points aient les memes caractéristiques électriques, notamment en ce qui concerne la résistivité et la mobilité des porteurs de charge au sein du matériau. Selon l'invention, le procédé de fabrication de plaquettes à partir d'un lingot monocristallin semiconducteur obtenu en position sensiblement horizontale par cristallisation progressive dans une direction longitudinale, le matériau dudit lingot ayant une structure cristalline présentant des plans cristallographiques préférentiels, est remarquable notamment en ce que, pendant la cristallisation, l'interface isotherme solide-liquide est maintenu sensiblement parallèle à la famille de plans préférentiels selon lesquels le lingot est ensuite découpé pour l'obtention desdites plaquettes. L'interface solide-liquide, qui est la surface isotherme correspondant à la température de cristallisation, étant maintenue parallèle aux plans de la découpe ultérieure, les différents points de la surface d'une plaquette correspondant à une meme surface isotherme de cristallisation à un instant donné, l'effet de la ségrégation y est uniforme, le dopage y est uniforme. On obtient ainsi des plaquettes dont la surface est dans le plan cristallographique préférentiel et dont les caractéristiques électriques sont identiques en tous points; en particulier la résistivité et la mobilité des porteurs de charge, fonctions du dopage, sont constantes sur toute l'étendue d'une même plaquette. Il y a lieu de mentionner ici la distinction entre la direction de cristallisation et la direction dite de tirage. La direction de cristallisation est définie comme la. normale à l'interface solide-liquide, interface qui peut parfois etre non pas parfaitement plan mais très légèrement convexe du côté du liquide. La direction de tirage est la direction de progression de l'interface correspondant à la direction longitudinale du barreau, sensiblement horizontale dans le cas de la méthode Bridgman considérée ici. Selon l'invention, la direction de cristallisation peut faire un angle important avec la direction de tirage. En effet, cette dernière est déterminée par la vitesse de cristallisation et la direction de vitesse maximale est le plus souvent très différente de la normale au plan cristallographique préférentiel.Par exemple, pour l'arséniure de gallium, la direction de tirage est celle de l'axe tandis que le plan préférentiel pour les plaquettes est le plan {100}, et dans ce cas, l'isotherme de l'interface solideliquide est maintenu parallèle aux plans {100} pendant toute la cristallisation, alors que la direction de tirage parallèle à l'axe longitudinal du lingot est la direction , et que la découpe des plaquettes est effectuée selon les plans'Ci00). Dans le cas de l'arséniure de gallium, l'angle entre la direction de tirage et la direction de cristallisation est ainsi de 540 On constate que la découpe de plaquettes selon l'invention a dans ce cas l'avantage de donner des plaquettes de grande surface relativement à la section droite du lingot. L'inclinaison des isothermes de cristallisation par rapport à l'axe de tirage est obtenue selon les moyens connus en agissant sur les gradients thermiques transversaux du four de cristallisation, par exemple suivant les procédés décrits dans le brevet français nO I 494 831. Il va de soi que lorsque l'isotherme de cristallisation n'est pas plan, mais légèrement convexe vers le liquide comme il est spécifié dans le brevet mentionné ci-dessus, c'est le plan tangent à la région axiale de la surface convexe qui est pris en considération. Les isothermes de cristallisation ne sont généralement pas observables directement, mais la Demanderesse a constaté que ces isothermes concidaient exactement avec les surfaces d'isoconcentration de dopant, correspondant elles-memes à des surfaces d'égale résistivité et d'égale mobilité. I1 est ainsi possible de contrôler la disposition des apports d'énergie thermique et celle de l'interface isotherme solide-liquide qui en dépend, en mesurant la mobilité des porteurs ou la résistivité en différents points d'un lingot d'essai. L'invention est applicable à la fabrication de plaquettes de matériau semiconducteur destinées à la réalisation de dispositifs électroniques, en particulier de plaquettes de matériau III-V ou II-IV-V2. L'invention s'applique tout particulièrement à la fabrication de plaquettes d'arséniure de gallium ou de phosphure de gallium dont la surface est orientée suivant le plan {100}. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé, fera bien comprendre comment l'invention peut etre réalisée. La figure unique représente, en coupe schématique, une nacelle 1 contenant un lingot en cours de cristallisation. La nacelle 1 est horizontale, de forme oblongue et peut comporter une extrémité de section diminuée où est placé un germe monocristallin 2. La cristallisation progressive s'opère à partir d'une phase liquide 3 par déplacement d'un gradient thermique de refroidissement le long de la nacelle 1 dans la direction de la flèche 4. L'ensemble est représenté alors qutune masse solide 5 est déjà formée, l'interface solide-liquide, correspondant à l'isotherme à la température de solidification, est en 6. Selon l'invention, cette surface isotherme est maintenue parallèle à l'orientation préférentielle 7 des plans de découpage du lingot, faisant un angle a avec l'axe longitudinal de ce dernier. Dans cet exemple de réalisation l'orientation cristalline du germe 2 est choisie pour que la direction de tirage 8, qui est la direction de déplacement du gradient de température, normale au plan 10 de section droite du lingot, corresponde à la direction de vitesse maximale de cristallisation; cette dernière fait ainsi avec la direction de croissance 9 un angle T -a . Dans le cas cité plus haut où 21e matériau semiconducteur cristallisé est l'arséniure de gallium, la direction 8 est celle de l'axe cristallographique et la direction 9 est celle de l'axe cristallographique . - REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de plaquettes à partir d'un lingot monocristallin semiconducteur obtenu en position horizontale par cristallisation progressive dans une direction longitudinale, le matériau dudit lingot ayant une structure cristalline présentant des plans cristallographiques préférentiels, caractérisé en ce que, pendant la cristallisation, l'interface isotherme solide-liquide est maintenu sensiblement parallèle à la famille de plans préférentiels selon lesquels le lingot est ensuite découpé pour l'obtention desdites plaquettes. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cristallisation est effectuée à partir d'un germe monocristallin orienté de façon que son axe correspondant à la direction de tirage soit parallèle à la direction de vitesse maximale de cristallisation. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur étant un composé III-V, la direction de tirage est celle de l'axe cristallographique et la direction de croissance est celle de l'axe cristallographique . 4.- Plaquette de matériau semiconducteur monocristallin caractérisée en ce que, étant réalisée par un procédé selon l'une des revendications 1 à 3, son plan de coupe correspond à une direction cristallographique préférentielle et à un plan d'égale concentration d'impuretés. 5.- Plaquette de matériau semiconducteur III-V caractérisée en ce que, étant réalisée par un procédé selon la revendication 3, son plan de coupe est à 540 du plan de croissance du lingot dont elle provient.