Brevet FR2344125A1 — publié le 19771007

La présente invention concerne un procédé de dopage à l'antimoine de régions enterrées dans un dispositif semiconducteur, selon lequel l'antimoine est introduit superficiellement dans un substrat de silicium mono cristallin après quoi une couche épitaxiale est déposée sur ledit substrat. L'invention concerne également les dispositifs semiconducteurs réalisés suivant ce procédé. Les circuits intégrés semiconducteurs sont réalisés surtout dans des plaquettes de silicium formées d'un substrat sur lequel est déposée une couche épitaxiale. Sous la couche épitaxiale, on prévoit des régions localisées, enterrées dans le substrat, qui constituent par exemple des collecteurs de transistors. Ces régions sont fortement dopées, le plus souvent avec de l'arsenic ou de l'antimoine, dont les coefficients de diffusion sont assez faibles et du meame ordre. Ainsi les impuretés dopantes des régions enterrées diffusent peu dans la couche épitaxiale qui recouvre ces dernières, au cours des traitements thermiques que peut subir le dispositif. Mais au cours du dépôt de la couche épitaxiale, il se produit une sorte d'exodiffusion des impuretés de dopage de la région sous-#acente sur laquelle le dépit est effectué. Ce phénomène, dit autodopage, est fonction de la tension de vapeur et du potentiel d'activité chimique de l'élément de dopage et il est plus prononcé avec certains éléments tels que l1arsenic qu'avec d'autres tels que l'antimoine.Pour améliorer les caractéristiques en fréquence des dispositifs intégrés, on recherche une diminution de l'épaisseur de la couche épitaxiale, et l'épaisseur de dépit, sur laquelle une région sous-åacente dopée à l'arsenic provoque l'autodopage, devient prohibitive. L'antimoine, qui donne lieu à une remontée d'impuretés par autodopage de l'ordre du tiers de celle qui est provoqué avec l'arsenic, doit être préféré à ce dernier. Nais l'introduction d'anti- moine, par diffusion dans une région destinée à être recouverte, ne présente pas les memes facilités que l'introduction d'arsenic et les sources d'antimoine disponibles pour la diffusion ont certains inconvénients : la diffusion à partir d'une couche déposée d'oxyde ou de silicate, comme il est décrit dans le brevet français Na 1 555 061, entraine une grande dispersion des résultats ; elle nécessite en outre des températures très élevées et l'emploi d'un four à plusieurs zones. D'autrepart, l'antimoine, pur ou en solution dans le silicium, utilisé en enceinte fermée, donne à la région dopée une mauvaise qualité de surface, inapte à l'épitaxie. La présente invention a notamment pour but de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus et de permettre la création de régions enterrées, dopées à l'antimoine de façon à présenter le type de conductivité n+, le signe + indiquant une concentration élevée, supérieure à 1018 atomes par cm3 au moins, les régions enterrées obtenues étant aptes à être recouvertes d'un dépôt épitaxique de bonne qualité, en provoquant une remontée minimale des impuretés dans la couche déposée, lors de l'opéra- tion de dépôt et aussi lors des opérations thermiques ultérieures auxquelles le dispositif peut être soumis. Selon l'invention, le procédé de dopage à l'antimoine de régions enterrées dans un dispositif semiconducteur, selon lequel l'antimoine est introduit superficiellement dans un substrat de silicium mono cristallin, après quoi une couche épitaxiale est déposée sur ledit substrat, est remarquable principalement en ce que ledit substrat est placé dans une enceinte avec une source de silicium, une source d'étain, une source d'antimoine, ladite enceinte est fermée sous pression réduite et ledit substrat et lesdites sources sont portés à une température assurant une pression partielle de chacun des trois éléments, suffisante pour provoquer leur diffusion simultanée dans ledit substrat. La diffusion simultanée dans le substrat de silicium, d'antimoine, d'étain et de silicium, permet d'obtenir des régions de type de conductivité n dopées à l'antimoine, élément qui présente l'avantage d'avoir une faible tension de vapeur et un faible potentiel d'activité chimique et de ce fait provoque un autodopage très peu accusé au cours de l'opération d'épitaxie qui suit la diffusion. Le procédé de diffusion en enceinte fermée avec les trois éléments diffusés précités, permet d'obtenir une bonne reproductibilité dans les résultats, en même temps qu'il permet de traiter un grand nombre de substrats en une seule opération. Le procédé donne en outre un bon état de surface des régions dopées, apte à recevoir un dépôt par croissance épitaxique. La présence d'étain améliore le comportement de l'élément dopant. Il est à supposer que l'étain, diffusé simultanément à 1 antimoine, modifie le comportement de ce dernier dans le réseau cristallin du substrat de silicium en formant des complexes antimoine-étain, à liaisons covalentes, dont la diffusion serait plus rapide que celle des atomes d'antimoine non associés à l'étain ; l'étain, ayant un meme nombre d'électrons extérieurs que le silicium du réseau, ne modifie pas le type de conductivité donné par l'antimoine.En outre, bien que la diffusivité de l'antimoine soit améliorée par l'assistance de l'étain, on constate également une amélioration des résultats après 1 'épi- taxie du fait d'une moindre remontée de l'antimoine dans le dépôt épitaxique, la présence de l'étain sous la forme de complexes antimoine-étain diminuant apparemment l'activité chimique de l'antimoine et diminuant ainsi l'autodopage. Dans une forme préférentielle de mise en oeuvre, les sources d'antimoine, d1étain et de silicium, sont constituées par des masses de ces éléments à l'état pur, sous forme solide pulvérulente. L'apport des éléments concourant au dopage, sous forme de corps simples et non de composés dissociables, permet une bonne maitrise des facteurs essentiels de la diffusion et une bonne reproductibilité des résultats, l'enceinte étant en outre mise sous un bon vide avant la fermeture. De préférence, le vide dans l'enceinte est d'au moins 10 6 torrs. Avantageusement, les trois sources sont portées et maintenues pendant la diffusion à une meme température, comprise entre 950 et 12500 C et de préférence entre 1050 et 12000 C. Les trois éléments sous forme pulvérulente peuvent être mélangés et ne constituent qu'une seule source hétérogène. Les masses des trois éléments sont de préférençe dans les proportions suivantes étain 70 à 90 *, antimoine 1 à 5 %, silicium 5 à 29 *. La durée de la diffusion dépend de la température et de la profondeur de la région dopée que l'on veut obtenir. Par exemple pour une profondeur de l'ordre de 1,5 à 2,5 micromètres, la durée de la diffusion peut aller de une heure à 20 heures selon la température de diffusion. La présente invention concerne également le dispositif semiconducteur réalisé suivant le procédé décrit ci-dessus. Selon l'invention, le dispositif semiconducteur comportant au moins une région enterrée dopée à l'antimoine dans un substrat de silicium mono cristallin sur lequel est déposée une couche épitaxiale, est remarquable en ce que ladite région enterrée contient de l'étain. De préférence, la concentration d'antimoine dans ladite région enterrée est supérieure à 1019 atomes par cm3 et la concentration d'étain y est supérieure à 1018 atomes par cm3. Dans une forme particulière de réalisation d'un dispositif semiconducteur selon l'invention, la couche épitaxiale a une épaisseur comprise entre I et 1,5 micromètre et la remontée des impuretés de la région enterrée à l'intérieur de cette couche épitaxiale est inférieure à 0,3 micromètres. La description qui va suivre fera bien comprendre comment l'invention peut etre réalisée0 La figure 1 est une coupe schématique d'une partie de plaquette semiconductrice prête pour une diffusion. La figure 2 est une coupe schématique d'une enceinte de diffusion. La figure 3 représente la partie de plaquette de la figure 1 après la diffusion d'une couche dopée. La figure 4 représente la même partie de plaquette après dépôt d'un lit épitaxial et la figure 5 représente un transistor réalisé dans cette partie de plaquette. La figure 1 représente une partie d'une plaquette 1 de silicium de type de conductivité X, présentant une grande résistivité, sur une face de laquelle on a déposé un masque d'oxyde 2. Ce masque comporte au moins une fenêtre 3 destinée à délimiter une zone diffusée enterrée. La plaquette 1 est placée, avec par exemple un lot de plusieurs plaquettes identiques, sur un support 4 qui est introduit dans une enceinte 5 représentée sur la figure 2 ; enceinte dans laquelle on place également un mélange 6 de poudres d'étain, d'antimoine et de silicium, de masse suffisante pour assurer les pressions partielles de ces trois éléments. Par exem- pie, une masse totale de 2 grammes suffit pour une enceinte de 1000 à 1500 cm3 dans laquelle on peut placer une centaine de plaquettes d'un diamètre de l'ordre de 50 mm. L'enceinte 5 est purgée par exemple à l'azote, mise sous un vide de l'ordre de 10 6 torrs et scellée, puis placée dans un four qui porte le contenu de l'enceinte à une température de diffusion comprise entre 1100 et 12000 C, de préférence de l'ordre de 11500 C. Après un maintien à la température de diffusion pendant une durée de l'ordre de 2 à 5 heures, l'enceinte est ramenée à la température ambiante. On obtient une couche dopée 7 (figure 3) dont la surface a une qualité correcte pour un dépôt épitaxique. L'opération suivant la diffusion consiste à enlever le masque d'oxyde qui recouvre la plaquette et à préparer la face intéressée 8 en vue d'un dépôt épitaxique. Onpeut alors procéder au dépôt d'un lit épitaxial 9 (figure 4), du type de conductivité P, dopé au bore, salivant un procédé classique de dépit en phase vapeur. Un lit de 1 à 2 micromètres d'épaisseur est déposé. Au cours de I'épitaxie, il se produit une remontée 10 des éléments de dopage de la couche 7 sous-jacente par une sorte d'exodiffusion,qui constitue l'autodopage. Mais cette remontée, qui pourrait atteindre 0,8 à 1 micromètre si la couche 7 était dopée à l'arsenic, n'est plus, dans le cas de la couche 7 dopée à 1 l'aide du mélange antimoine-étain-silicium, que de 0,3 micro- mètre au plus. La figure 5 représente un exemple de dispositif comportant une couche enterrée et un lit épitaxial réalisé comme il vient d'être dit. La couche enterrée 7,10 sert de collecteur de transistor, une zone 11 diffusée à partir de la surface jusqu'à atteindre la couche enterrée et de même type de conductivité que cette dernière, servant de puits du collecteur en vue de la connexion de ce dernier. L'émetteur est formé par une diffusion de zone 12, de même type de conductivité que le collecteur, et une zone 13, de type de conductivité opposé sert à la prise de contact de la base, Dans l'exemple décrit ci-dessus, le mélange de poudres d'antimoinet d'étain et de silicium contient 1 à 5 0A d'antimoine. La couche enterrée obtenue a une résistance par carré unitaire de 20 à 40 Q et suivant la durée de la diffusion, une épaisseur de l'ordre de 1 à 2 P m. REVENDICATIONS : 1.- Procédé de dopage à l'antimoine de régions enterrées dars un dispositif semiconducteur, selon lequel l'antimoine est introduit superficiellement dans un substrat de silicium monocristallin après quoi une couche épitaxiale est déposée sur ledit substrat, caractérisé en ce que ledit substrat est placé dans une enceinte avec une source de silicium, une source d'étain et une source d'antimoine, ladite enceinte est fermée sous pression réduite et ledit substrat et lesdites sources sont portés à une température assurant une pression partielle de chacun des trois éléments suffisante pour provoquer leur diffusion simultanée dans ledit substrat. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources de silicium, d'étain et d'antimoine, sont constituées par des masses de ces éléments à l'état pur, sous forme solide pulvérulente. 3.- Procédé selon l'une des revendications I et 2 caractérisé en ce que lesdites sources sont portées et maintenues pendant la diffusion à une même température comprise entre 1050 et 12000 C. 4.- Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les masses des éléments sont dans les proportions de 70 à 90 % d'étain, 1 à 5 % d'antimoine, 5 à 29 % de silicium. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites sources et le substrat sont mis avant la diffusion sous un vide d'au moins 10 6 torrs. 6.- Dispositif semiconducteur réalisé par un procédé selon l'une des revendications 1 à 5 et comportant au moins une région enterrée dopée à l'antimoine dans un substrat de silicium mono cristallin sur lequel est déposée une couche épitaxiale, ca- ractérisé en ce que ladite région enterrée contient de l'étain. 7.- Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que la concentration d'antimoine dans ladite région enterrée est supérieure à 1019 atomes par cm3 et la concentration d'étain y est supérieure à 1018 atomes par cm30 8.- Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que la couche épitaxiale ayant une épaisseur comprise entre 1 et 1,5 micromètre, la région enterrée pénètre de moins de 0,3 micromètre à l'intérieur de ladite couche.