Brevet FR2274348A1 — publié le 19760109

La présente invention se rapporte à un monocristal en matériau semi-conducteur, tiré sur un substrat formé d'un cristal en matériau électriquement isolant, et elle se rapporte plus particulièrement à un tel monocristal dont la différence de pas réticulaire entre le monocristal et le cristal isolant est réduite. On sait bien que, par exemple, avec des éléments de circuit formés en un motif à deux dimensions dans un monocristal en matériau semi-conducteur, comme dans des circuits intégrés, chaque élément de circuit est électriquement isolé de l'autre élément ou de son substrat par une jonction PN associée. Dans un tel cas,des capacités parasites et/ou un isolement déterioré peuvent fréquemment affecter de façon néfaste les caractéristiques des semi-conducteurs résultants, et plus particulièrement leur réponse en fréquence ou leur bruit. Récemment, par conséquent, on a largement utilisé des monocristaux en silicium, par exemple, tirés sur le substrat en matériau électriquement isolant comme le saphir (Al203), le spinelle (MgO.A1203 ou MgA1204) ou le quartz (Si02).Lorsqu'un monocristal en matériau semi-conducteur a été tiré sur un substrat en matériau électriquement isolant comme on l'a décrit ci-dessus, le substrat assure que les éléments de circuit disposés dans le monocristal peuvent être isolés électriquement très facilement les uns des autres, tandis que la capacité parasite mise en cause peut être très faible Cependant, la croissance du cristal sur un tel substrat isolant, c'est-à-dire l'hétérojonction, met en cause des difficultés importantes. Elles sont très importantes en comparaison de, par exemple, la croissance du silicium sur un substrat en silicium, ou "Si sur Si", étant donné une différence de pas réticulaire entre le matériau tiré et le matériau du substrat. En d'autres termes, une couche tirée suette substrat y provoque des défauts dus à des contraintes développées dans la couche.Par exemple, le silicium a un pas réticulaire de l'ordre o de 5,4302 A, et il est d'une structure cubique centrée en face, tandis que le saphir qui est un des matériau électriquement isolants bien utilisés comme substrat, est du système o o rhombohédral, ayant des pas réticulaires de a = 4758 A et c = 12911A. De même, le spinelle utilisé dans le même but est d'une structure cubique centrée en face, et il a un pas réti o culaire de 8088 A. Lors de la croissance d'un monocristal de silicium sur un substrat formé d'un tel matériau isolant, il est impossible que tous les atomes de silicium soient liés à tous les atomes de matériau isolant, et par conséquent une différence de pas réticulaire entre les deux matériaux n'indique pas une mesure ai manque de correspondance. Bien que le mécanisme par lequel les réseaux dissemblables ne correspondent pas soit compliqué, en comparaison de réseaux semblables comme dans le "Si sur Si", on dit que le manque de correspondance pour des réseaux dissemblables est de l'ordre de 1 à 2% par suite d'expériences, ou sur la base de certaines suppositions.Pour du "Si sur Si", le dopage du silicium avec une impureté présentant l'effet de diminuer le pas réticulaire, par exemple, du phosphore, provoque des défauts ou analogues dus au manque d'adaptation. Le manque d'adaptation peut se produire dans l'ordre de 70-2 % ou moins. Par conséquent, le manque de correspondance associé aux matériaux électriquement isolants est très important. En conséquence, si les facteurs déteriorant le cristal, par exemple, la contamination avec des matières étrangères, sont supprimés, des contraintes élevées se développent dans la couche tirée lors de la formation du réseau. Cela affecte fortement le bruit, la mobilité, la durée de vie se rapportant à la couche tirée. Le manque d'adaptation du à une différence de pas réticulaire entre des réseaux dissimilaires, peut avoir été antérieurement recherché, mais on n'a pas considéré, jusqu'à maintenant, qu'une couche de matériau semi-conducteur peut croltre sur un substrat formé en matériau électriquement isolant, tandis que la différence de pas réticulaire entre la couche de semi-conducteur et le cristal isolant diminue. Cela est dû au fait qu'une hétérojonction existe à l'interface de la couche et du cristal. Cependant, on comprendra que le monocristal disposé sur un tel élément isolant doit nécessairement être un cristal parfait, ou un cristal sans aucun défaut. De tels monocristaux seront demandés à l'avenir. En conséquence, c'est un objet de la présente invention de créer un monocristal perfectionné en matériau semi-conducteur, tiré sur un substrat formé d'un cristal en matériau électriquement isolant, de façon à diminuer de façon positive la différence de pas réticulaire entre les deux cristaux, pour rendre la contrainte résultante aussi faible que possible. La présente invention atteint cet objectif en créant un monocristal en matériau semi-conducteur tiré sur un substrat formé d'un cristal en matériau électriquement isolant, comprenant un moyen pour compenser positivement les contraintes de réseau qui y sont développées, étant donné les différences de propriétés physiques entre les deux matériaux, en variant la composition d'au moins l'un des deux cristaux, ou ajoutant un élément à au moins l'un des deux cristaux, ou en mélangeant un autre cristal à au moins l'un des deux cristaux. On peut changer la composition de toute la surface d'au moins un des cristaux semi-conducteur et isolant ou de la partir proche de l'interface, un autre matériau peut y être ajouté ou un autre cristal peut être mélangé avec lui. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaltront mieux au cours de la description explicative qui va suivre en se reportant au dessin schématique annexé donné uniquement à titred'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lequel - la figure unique est un graphique illustrant la variation du pas réticulaire du silicium en ordonnées, en fonction de la concentration de certaines impuretés ajoutées au silicium en abscisses. De façon à diminuer une différence de pas réticulaire entre un matériau électriquement isolant d'un substrat sous forme d'un cristal, et un matériau semi-conducteur d'un monocristal à tirer sur le substrat, on a considéré diverses mesures. Une mesure typique sera maintenant décrite en terme de silicium tiré sur un substrat en spinelle. les spinelles employés de nos jours avec des matériaux semi-conducteurs sont des cristaux mélangés se composant d'oxyde de magnésium (ego) et d'oxyde d'aluminium (Al203), et leur composition stoéchiomètrique est exprimée par MgO.A1203. Cependant la composition des spinelles utilisés dans la pratique peut être située entre MgO.A1203 et MgO.4A1203. Plus la quantité de A1203 est importante, plus le pas réticulaire diminue à partir de celui du MgO.A1203 stoèchiomètrique ayant une valeur de 8088 A. De même, lqianque de correspondance est de l'ordre de 1% pour le MgO.A1203, et de l'ordre de 1,9% pour le b#O.3Al203. De plus, la précipitation de val203 et la diffusion d'aluminium dans la couche tirée entrent en question. Pour ces raisons, on préfère l'utilisation de la composition stoéchiomètrique. Même dans ce cas, cependant, le manque de correspondance est trop important. Lors de lacroissance du silicium sur des spinelles comme on l'a décrit ci-dessus, il y a trois essais pour rendre aussi faible que possible le manque d'uniformité des réseaux. On force le pas réticulaire du silicium à s'approcher de celui du spinelle associé, en changeant le pas réticulaire du premier, En variante, le spinelle peut facilement former le réseau, avec le silicium associé, en variant le pas réticulaire du premier. Par ailleurs, en changeant le pas réticulaire du sili ium et du spinelle, on peut réduire leanque d'uniformité du réseau. Ce changement de pas réticulaire peut être accompli sur toute la zone du silicium ou du spinelle. En variante, on peut changer le pas réticulaire sur et près de l'interface du silicium et du spinelle. Dans chaquegeas, il est uniquement essentiel d'obtenir le résultat que les contraintes des à un manque d'uniformité du réseau soient aussi faibles que possible, sans gêner les propriétés électriques de la couche et silicium tirée. le spinelle Mg0.Al 0 est une substance consistant en 23 aluminium, magnésium, et oxygène liés l'un à l'autre. Plus exactement, le spinelle devrait être appelé listructure en spinelle de l'aluminium et du magnésium. il existe de nombreuse substances ayant la structure en spinelle exprimée par XY204, comme le Zn0.Al203, le MgCr204, le NiCr204, le ZrSi04, le Tin204, le ZnFe204, le SnCo204, le CdCr204 et autres. De plus, on connait des substances ayant la structure en spinelle inverse, qui est exprimée par Y (XI)04. l'analyse indique que le spinelle Mg.Al 0 est lié au 24 silicium de façon que l'atome de silicium soit uni au Mg, et deux cellules unitaires du spinelle sont jointes à trois cellules unitaires du silicium. En supposant que l'analyse est correcte, le manque de correspondance sera réduit avec des spinelles ayant un pas réticulaire plus important. Ainsi, si une substance servant à augmenter le pas réticulaire est ajoutée au spinelle, alors, le degré de manque de correspondance du réseau combiné au silicium deviendra faible. Bien que les spinelles eux-mêmes soient utilisés, des recherches ont rarement été effectuées, jusqu'à maintenant, pour savoir comment leur pas réticulaire variera en ajoutant quel type de métal, en quelle quantité, à l'exception du changement de quantité d'aluminium par rapport au magnésium, ces deux éléments étant les composants de la composition. Cependant, on peut s'attendre à augmenter le pas réticulaire du spinelle en lui ajoutant au moins un élément choisi dans le groupe consistant en magnésium (Mg), nickel (Ni), étain (Sn), titane (Ti), germanium (Ge), silicium (Si), zirconium (Zr), Hafnium (Hf), Beryllium (Be), et autres.On peut également s'attendre à un effet similaire avec les structures en spinelle Mg0.Al#03 auxquelles est ajoutée une quantité en excès de magnésium, les structures ayant au moins un des éléments décrits ci-dessus, dont l'atome entre dans l'emplacement du Mg comme le Sn Mg Al2030ù x est supérieur à zéro, et inférieur à 1, ou les structures ayant au moins l'un des éléments ci-dessus décrits, et dontl'akmeentre dais l'emplacement AI, comme le MgO (AlSix)O ressemblant au zircon (ZnSi04) où x est supérieur à zéro et inférieur à un. En variante, du spinelle magnésium-aluminium comme le MgAl204 et le TiZn204 sera ajouté de façon efficace à un spinelle diffé- # rent, parce qu'on dit que le TiZn2O4ou analogue a un pas o réticulaire de a = 8,4445 A. Par ailleur, on considère qu'il est efficace que les spinelles soient formés sous une pression élevée, de façon à comprendre de l'oxygène en excès. En considérant la diffusion d'un métal ou de métaux à partir d'un spinelle dans une couche de silicium qui y est tirée, il est de loin préférable du point de vue auto-dopage, qu'un élément ou plusieurs éléments du groupe IV de la table périodique comme le silicium, le germanium ou l'étain, soient ajoutés aux spinelles en comparaisofr d'autres éléments ajoutés à ces derniers. Cela est dt à ce que les éléments du groupe IV se comportent comme des éléments neutres par rapport au silicium. D'autre part, on a bien recherché jusqu'à maintenant un changement du pas réticulaire du silicium da à l'addition d'une impureté. Par exemple, on peut relativement bien décrire une augmentation et une diminution du pas réticulaire du silicium, ou son extension ou sa contraction, de façon que l'impureté particulière entre par substitution dans le réseau de silicium, étant donné une différence du rayon covalent entre le silicium et les atomes d'impureté sur le silicium, formant la liaison covalente avec cette impureté. Par exemple, le silicium (Si) a un rayon covalent de 1,17 i, tandis que l'étain (Sn) et le germanium (Ge) appartenant au groupe IV de la table périodique ont des rayons covalents de o 1,40 et 1,22 A, respectivement. De même, le bore (B) et l'aluminium (Al) appartenant au groupe III o ont des rayons covalents de 0,88 et 1,26 A respectivement, et le phosphore (P) et l'antimoine(Sb) appartenant au groupe V o ont des rayons covalents de 1,10 et 1,30 A. Par conséquent, on augmente le pas réticulaire du silicium en ajoutant de l'étain, du germanium, de l'aluminium, de l'antimoine au silicium, tandis qu'on le diminue avec l'addition de bore ou de phosphore.La figure unique montre une valeur absolue d'une variation de pas réticulaire du silicium en A (en ordonnées), en fonction d'une concentration en impuretés N en atomes par centimètre cube (en abscisses), pour les impuretés d'étain (Sn) de germanium (Ge) de bore (B) de phosphore (P) et d'antimoine (Sb). les courbes représentent les valeurs calculées à l'échelle logarithmique, et coincidatbien avec ce qui a été décrit sur la base de valeurs expérimentales correspondantes. Par exemple, la courbe appelée Sn représente un changement de pas réticulaire provoqué par l'addition d'étain.On peut s'attendre à un effet similaire avec le carbone (C) et le plomb (Pb), appartenant au groupe IVb, et également avec le titane (Ti), le zirconium (Zr) et l'hafnium (Hf), appartenant au groupe Na de la table périodique. Par conséquent, pour réduire un manque d'uniformité du réseau lorsque l'on fait croitre un silicium sur un spinelle, on peut ajouter au silicium une impureté tendant à diminuer son pas réticulaire. Cependant, il est possible de former de nouveaux spinelles en ajoutant ou en mélangeant une impureté aux spinelles décrits ci-dessus, qui présente l'effet qu'un manque d'uniformité du réseau par rapport au silicium est affecté de façon inverse. Si on utilise de préférence un tel cristal isolant, alors il faut ajouter à un monocristal de silicium tiré sur le cristal isolant, une impureté de façon à augmenter son pas réticulaire. Tandis que la présente invention a été décrite uniquement par rapport à un monocristal de silicium tiré sur des spinelles, on comprendra que de nombreuses variations et modifications peuvent être accomplies sans se départir du but et du cadre de la présente invention. Par exemple, peut diminuer un manque d'uniformité du réseau de la région limite d'un cristal isolant mis en cause. La présente invention est également applicable à une grande variété de matériaux isolants comme le quartz (4 -SiO2), le saphir (A129 le zircon (ZrSiO4), le carborundum X (k2-SiC), l'oxyde de béryllium 4 -Be) et autres, et leurs mélanges. On comprendra de même que la présente invention ntest pas limitée au silicium, et qu'elle est également applicable à d'autres matériaux semi-conducteurs. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R B V B N D I C A T I Q N S. 1. Monocristal en matériau semi-conducteur tiré sur un cristal en matériau électriquement isolant, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour compenser positivement des contraintes de réseau qui y sont développées, étant donné des différences de propriétés physiques entre lesdits deux matériaux. 2. Monocristal en matériau semi-conducteur tiré sur un cristal en matériau électriquement isolant selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen précité pour compenser les contraintes de réseau consiste à faire varier une composition d'au moins la partie d'au moins l'un desdits deux cristaux proche de l'interface entre eux, de façon à diminuer une différence de pas réticulaire entre lesdits deux cristaux. 3. Monocristal en matériau semi-conducteur tiré sur un cristal en matériau électriquement isolant selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen précité pour compenser des contraintes de réseau consiste à ajouter à au moins la partie d'au moins l'un desdits deux cristaux proche de leur interface, un élément pour diminuer la différence de pasieticulaire entre lesdits deux cristaux. 4. Monocristal tiré sur un cristal en matériau électriquement isolant selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen précité pour compenser des contraintes de réseau consiste à mélanger avec au moins la partie précitée d'au moins l'un desdits deux cristaux proche de leur interface, un autre cristal de façon à faire diminuer le pas réticulaire entre lesdits deux cristaux.