Brevet FR2344124A1 — publié le 19771007

La presente invention concerne un procédé de fabrication des des dispositifs semiconducteurs. La fabrication des dispositifs semiconducteurs nécessite l'application de températures élevées sur les tranches de silicium, et cette étape est connue pour sa source de contraintes à travers la tranche. L'intensité des contraintes commandant la création puis la circulation des sites de remplacement ou lacunes interstitielles dans la structure du réseau, a été considérée avec intérêt dans l'art antérieur. On a proposé comme moyen de "piégeage" des impuretés dans une tranche, l'endommagement mécanique de la surface de cette tranche.On a pu observer que si la surface opposée à celle ou les traitements en vue de la fabrication des dispositifs est prévue, est endommagée de façon appropriée, l'effet de piégeage dêbarassera le dispositif des lacunes interstitielles et leurs complexes comportant les défauts d'empilement et les dislocations qui sont préjudiciables aux performances du dispositif. Bien que le problème soit connu, les solutions apportées à ce jour ne sont pas satisfaisantes. Par exemple, Netz dans J. Electro Chemical Society, 112, 420 (1965) suggère le Sablage" comme une technique permettant d'endommager la surface inférieure du semiconducteur pour en améliorer les rendements. Cette technique n'a pas donné d'applications pratiques à cause des résultats non uniformes dans la configuration des dommages qui sont la conséquence inévitable du sablage.De même, Lawrence qui a écrit un article dans Semiconducteur Silicon en 1973 à la page 17 se refère à une technique de piégeage par 1 1intermédiaire de l'endommagement léger du réseau grâce à un polissage mécanique. Cette solution n'a pas été retenue dans un système de fabrication parce que les résultats ne sont pas reproductibles facilement et que le procédé ne peut pas être appliqué sur un grand nombre de tranches. En plus de ces difficultes, le principal inconvénient des techniques de l'art antérieur est que le degré d'endommagement en fonction de la profondeur ne peut pas être contrôlé. En définitive, les dislocations créées sur la face inférieure des tranches par l'action mécanique, se propageaient à travers la tranche lors d'applications de températures élevées, et atteignaient la surface de la tranche où elles détruisaient alors tous les dispositifs. Ainsi, alors que l'amélioration dans les rapports de rendement était prévue de façon analytique, on obtenait par la mise en oeuvre des techniques de l'art antérieur, des résultats contradictoires et décevants. En définitive, dans la technologie des semiconducteurs, on était incapable de fournir aux fabriquants de tranches semiconductrices, une technique fiable permettant permettant d'améliorer les rapports de rendement. Un problème voisin relevé dans l'art antérieur est la génération d'une forte densité de défauts d'empilement induits par l'étape d'oxydation du silicium obtenu par le procédé épitaxial. On supposait en général que le silicium épitaxial n'était pas soumis à l'endommagement mécanique; cependant, des expériences récentes de C.M. Drum et W. Van Gelder, J. Appl. Phys., 43. 11, 4465 (1972) et de C.M. Hsieh et D.M. Maher, J. Appl. Phys. M, 3 1302 (1973) en utilisant le décapage préférentiel de la couche épitaxiale oxydee, ont pu démontrer l'existence de défauts d'empilement dans la structure. La duree de vie des défauts de la couche épitaxiale est dans la plupart des cas de plusieurs ordre de grandeur inférieure à celle des substrats obtenus par la technique de Czochralski (P. Rai-Choudhury et D.K. Schroder, J. Electroche. Soc. , 119, 11, 1580 (1972). Ces expériences ont aussi mis en évidence qu'en dépit de la perfection structurale élevée du silicium épitaxial, les jonctions p-n formées à partir de silicium épi taxi al donnent soit un courant de fuite inverse élevé, soit présentent une tension de plaquage à la jonction considerablement plus faible que pour les jonctions diffusées dans du silicium obtenu par la technique de Czochralski. L'amélioration dans la durée de vie de ces dispositifs est importante et la solution d'attaque à base d'iode classique utilisée dans l'art antérieur avant le traitement épi taxi al était une technique commune pour éliminer une partie de la surface du silicium. Le décapage est, cependant, un procédé coûteux qui prend beaucoup de temps et ne garantit pas l'amélioration désirée de la couche épitaxiale. La présente invention utilise une technique qui fait appel à la génération de contraintes par des vibrations sonores (technique ISS) comme une étape de traitement primordiale dans la fabrication des dispositifs semiconducteurs. La génération de contraintes par des vibrations sonores, sous sa forme la plus fondamentale, implique l'endommagement mécanique de la tranche par les vibrations acoustiques produites à partir d'objets sphériques disposes à la surface de la tranche. On pourrait penser à utiliser la génération de contraintes par vibrations sonores, de façon à provoquer d'une façon connue et reproductible, l'endommagement de la surface de silicium pour étudier et prédire les effets des défauts d'empilage, des dislocations etc...., lors du traitement des dispositifs.En particulier, on pourrait utiliser la génération de contrainte par vibrations sonores comme un outil de laboratoire pour l'analyse précise des propriétés physiques de dispositifs semiconducteurs en leur communiquant un endommagement uniforme à la surface de chaque tranche. vibrations sonores La présente invention se rapporte à la génération de contraintes par / comme étant une étape essentielle du procédé de fabrication des dispositifs semiconducteurs.L'utilisation de la technique ISS sur la face inférieure des tranches, c'est-à-dire, sur la face opposée à celle sur laquelle les dispositifs seront formés sert à créer un effet de piégeage dans le cristal qui repartit à nouveau le courant de lacunes interstitielles qui sont générées tout au long des étapes de traitement à températures élevées de la tranche. Le rassemblement de ces lacunes dans le volume inférieur de la tranche élimine la présence de lacunes dans les régions actives de la tranche destinées à recevoir les dispositifs. En conséquence, la durée de vie des dispositifs est améliorée et la formation de conduits entre des jonctions multiples est réduite au minimum. En conséquence, un objet de cette invention consiste à proposer un procédé permettant d'améliorer les performances des dispositifs semiconducteurs grâce à l'utilisation d'une technique de génération de contraintes par vibrations sonores. Un autre objet de cette invention consiste a proposer une technique permettant de réaliser un endommagement uniforme des faces inférieures des tranches de façon a commander la génération et le mouvement des lacunes dans la tranche pendant les étapes de traitement à températures élevées. Un autre objet de cette invention consiste a proposer un procédé fiable et reproductible d'endommagement des tranches sans qu'il se produise ultérieurement une propagation de ltendommagement pendant les traitements a températures élevées. Un autre objet de cette invention concerne la création d'une nouvelle classe de substrats semiconducteurs présentant un endommagement de la face inférieure uniforme. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexés à ce texte qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 est une représentation schématique de l'appareil de génération de contrainte par vibration sonore selon les enseignements de la présente invention. La figure 2 est une vue en perspective montrant une tranche semiconductrice fixée dans ledit appareil et supportant une pluralité de billes en tungstène sur sa surface supérieure. La figure 3 représente sous forme schématique une série de coupes de tranches représentant les étapes de base de cette invention. Schématiquement, la technique de génération de contraintes par vibrations sonores consiste à placer une tranche devant un haut parleur et de placer une pluralité de billes, normalement sphériques, sur la surface à endommager. Le haut parleur est amené a un niveau de puissance et à une fréquence adéquats, en général, la fréquence de résonnance de la tranche; cette dernière entraîne la vibration de la tranche dans un mode harmonique. On constate que, les billes rebondissent sur la surface de la tranche, l'amplitude des bonds étant une fonction des niveaux de puissance. Les billes sont en général constituées de tungstène et ont un diamètre de l'ordre de 300 um; un nombre adéquat quelconque peut être utilisé. En faisant varier le temps, la puissance et le nombre de billes, on peut créer des configurations d'endommagement uniformes et reproductibles. Le résultat de l'endommagement se présente sous la forme de cônes de fracture et des microfentes.Ces configurations d'endommagement ont comme effet d'augmenter les durées de vie des dispositifs par la création et l'attraction des lacunes dans et vers la face endommagée de la tranche, qui est éloignée de la surface active de la tranche. En se référant maintenant à la figure 1 un dessin schématique montre la structure de base de l'appareil de génération de contraintes par vibrations sonores. Comme il est montre sur la figure 1, ltentrEe peut se faire soit à partir d'un oscillateur 12 de type Hewlett-Packard 6518 soit d'un générateur d'ondes carrées 14 du type Wavetek Model 142. L'un ou l'autre de ces oscillateurs étant couplé à un amplificateur 16, qui sera de préférence un modèle Mac Intosh M 1-300 qui est un ampli de puissance au moyen de con, nexions électriques appropriées 18. La sortie de l'amplificateur est reliée à un appareil de commandes acoustique 20 qui est un haut parleur, de préférence du type Atlas PD 60 T d'une puissance 60 de watts, couramment utilisé dans les systèmes d'adressage public.On a monté sur le haut-partleur, ou plus exactement sur son cône, un tube en PVC d'environ 30 cm de longueur muni d'une extrémité 24 d'adaptation à son sommet et où viendra se placer la tranche semiconductrice 26. En se référant maintenant à la figure 2, les détails de la construction de la partie supérieure du tube 22 avec sa partie d'ajustage 24 et la tranche de silicium 26 sont montres avec plus de détails. En particulier, la tranche 26 est placée dans une cavité du tube 24 et elle est maintenue en place au moyen d'un anneau de téflon 28. Cet anneau de téflon peut être vissé dans des positions appropriées au moyen d'écrous 30 ou d'autres moyens équivalents quelconques. Sur la surface de la tranche semiconductrice 26 on a placé un certain nombre de billes 32, par exemple en tungstène, chacune ayant un diamètre de l'ordre de 300 microns.Pour empêcher la perte des billes 32 pendant les vibrations de la tranche semiconductrice, une pièce de papier filtre ou une autre tranche semiconductrice non représentée peut être placée sur le dessus de l'anneau 28. L'assemblage terminé est placé dans une boite 34 qui est une chambre sourde et représentée sur la figure 1. En utilisant la structure montrée sur les figures 1 et 2, la génération de microcraquelures peut être obtenue en forme de cônes de fracture. Ces cônes de fracture de type herztien sont produits dans une gamme d'environ 50 microns en diamètre et peuvent pénétrer de quelques microns dans la masse du silicium par exemple, aussi profond que 15 à 20 microns.Ces cônes de fracture sont induits dans la surface du silicium par l'impact des balles des billes 32 sur la surface de la tranche 26 dans les conditions de contrainte. Ces contraintes acoustiques sont accomplies par l'action du dispositif de commande 20 qui fonctionne à la fréquence de résonance, par exemple environ 1,38 Khertz de la tranche semiconductrice ainsi fixée. Le temps moyen à cette fréquence et à une puissance de 40 watts est approximativement de 5 minutes. Ainsi, les billes de tungstène qui viennent frapper la surface de la tranche semiconductrice transforment une configuration de mode acoustique de la tranche ainsi fixée en cônes de fracture de type herztien. Il sera apprécié que la densité des microcraquelures ainsi obtenue est est fonction du temps de vibration, du nombre des billes de tungstène sur la tranche, et de la puissance d'entrée appliquée au haut parleur.Des densités d'environ 106 défauts par cm2 sont facilement obtenues sans pour autant abimer la tranche. De façon préférée, 800 billes sont utilisées dans une opération classique, ces billes peuvent être soit de tungstène de préférence, soit d'un autre matériau approprie. En se référant maintenant à la figure 3, le procédé de base est représenté sous forme de trois étapes. Sur la figure 3A, la tranche 10, en général du silicium, est composée d'une surface polie 12 dans laquelle sera fabriqué le dispositif semiconducteur particulier et une surface opposée ou surface inférieure 14. Sur la surface inférieure, on applique la technique génération de contrainte par vibration sonore de façon à créer une configuration uniforme d'endommagement représentée sans tenir compte des proportions, par la référence numérique 16. Parce que 1 'endommagement par la technique ISS sert à créer des centres de contraintes voulus en vue du traitement, cette étape doit être réalisée avant le traitement à température élevée.Comme représenté sur la figure 3B, cette étape est représentée comme étant l'étape d'oxydation du silicium (couche 18); cependant, d'autres étapes à températures élevées telles que la réalisation de couches épitaxiales, l'opération de diffusion ou d'implantation ionique d'ions de silicium ou d'autres matériaux semiconducteurs. L'étape finale du dispositif est représentée sur la figure 3C, et comporte le dépôt d'une couche métallique en aluminium 20 de façon à constituer des condensateurs MOS, cet exemple constitue. rseulement une application classique et simple. Les exemples suivants démontrent, par les valeurs de tests comparatifs, l'utilité de la présente invention. EXEMPLE 1 Une série de tranches de silicium est soumise aux contraintes par vibrations sonores, ces contraintes sont appliquées sur la face inférieure par rebondissement de balles de tungstène (0,3 mm de diamètre) avec les parametres suivants: (a) Puissance - 40 watts (b) Fréquence - 1,38 kHz (c) Temps - 5 min. A la suite de la génération de ces contraintes, il apparait une densité élevée (105/cm20 de craquelures et d'amas de défauts sur la surface inférieure de la tranche. Les tranches sont alors nettoyées au préalable par le mélange classique acide HF - solution Huang et des condensateurs de type MOS sont réalisés sur les échantillons. A titre comparatif, les mesures de rendement avec des échantillons contrôles ont donné: Substrat Contrainte Nombre Rendement Mos Rendement moyen sur la face de en % en % inférieure tranches ------------------------------------------------------------ 1. de Contrôle --- 4 76-100 92,6 p t 2# - cm 2. de référence Oui 4 94.5-100 98,6 P 2# - cm 3. de référencl Oui 5 # 80,6-100 91,2 p t - cm 4. " Non 2 25-25 25 5. n Oui 3 80,6-97 87,9 6. Il Non 2 30,6-36,2 33,4 7. R Oui 3 ' 80,6-97 91,7 8. de référence Oui 7 1 86,3-100 93,8 p # 15Q- - cm , 9. de référence Non 6 8,5-60 37,3 n 1 # - cm 10 " Oui 10 61,3-81,3 70,5 ------------------------------------------------------ Ces résultats peuvent être résumés de la façon suivante: 1.La génération de contraintes par vibrations sonores sur la face inférieu- re de la tranche de contrôle de qualité de départ élevée ne montre pas de dégradation de la tranche, mais permet d'observer des améliorations sur une gamme plus étroite de rendeïsntMS.:'. 2 L'application de contraintes dues aux vibrations sonores sur la face inférieure entraîne une amélioration remarquable sur le rendement MOS des tranches de référence. Toutes les tranches de référence de type P mesurées après avoir été soumises aux contraintes par vibrations sonores ont un rendement de 80% ou plus avec un rendement moyen de l'ordre de 90%. De façon a s'assurer que l'amélioration n'est pas le résultat du choix heureux des échantillons, des échantillons choisis dans les extrémités du barreau, certains ayant été soumis aux contraintes et d'autres non (échantillons 4-7), sont traités simultanément. L'amélioration est évidente dans les échantillons 6-7 qui étaient des tranches à rejeter. EXEMPLE 2 Un test comparatif utilisant différents traitements, tels que le décapage par -I2 (iode) la diffusion-sous-collecteur faite dans 5 carrés (c'est- -dire 5 fl ) et la génération de contraintes par vibrations sonores des faces inférieures de la tranche sont utilisées pour voir si on peut attendre une amélioration quelconque de la qualité de la couche épi taxi ale. Une couche epitaxiale de type N est obtenue par croissance sur un substrat de type P de plan cristallographique (15n-cm3 par réduction dans 1 'hydrogène de SiCl4 à 1100 C. L'épaisseur de la couche épi taxi ale de type N est d'environ 6 microns et la concentration de dopant (As) est de l'ordre de 0,8 à 1,6 1016 atomes/cc calculés a partir des mesures C-V des condensateurs de type MOS. Dans un cycle de traitement, certaines tranches sont soumises à un décapage par de l'iode, pour éliminer un micron environ de la surface avant le traitement epitaxial. Dans un autre cycle, les tranches sont soumises à deux traitements différents avant le dépôt épitaxial. La génération de contraintes par vibrations sonores sur les faces inférieures de la tranche est réalisée par le rebondissement de balles de tungstène (de 0,3 mm de diamètre) sur la face inférieure desdites tranches avec une puissance de 40 watts et une fréquence de 1,38 kHz pendaeesune durée de 5 minutes. Pour le test de diffusion sous-collecteur,/tranches sont oxydées puis diffusées puis subissent enfin une réoxydation. Après le dépôt épitaxial, on réalise des condensateurs de type MOS de 1400 A d'épaisseur dans de l'oxyde sec, sur la couche épitaxiale de type N et on mesure les courbes C-V des condensateurs. RESULTATS Effet du décapage par iode sur la durée de vie des porteurs dans du silicium epitaxial de type N. Substrat décapage durée de vie moyenne de par I2 s durée de vie de référence 1 No 0,076 ~ 0,38 0,19 3 " 0,18 ~ 0,89 0,58 5 " 0,016 ~ 0,56 0,22 7 " 0,12 ~ 0,051 0,038 0,26 de référence 2 Qui 0,50 ~ 3,11 1,09 4 " 0,21 ~ 2,96 0,83 6 " 0,34 ~ 7,31 2,91 8 " 0,27 ~ 1,75 0,75 1,40 choisi A Non 0,60 ~18,0 8,48 C " 0,26 ~ 3,51 1,51 E " 0,044 ~ 5,28 2,52 G " 0,036 ~ 0,36 0,14 3,16 Substrat décapage durée de vie Moyenne de la par I2 s durée de vie Choisi B Qui 0,054 ~ 3,73 1,21 D " 1,005 ~ 2,42 1,23 1,22 de référence 5# Non 0,48 ~143,6 43,0 de contrôle 140-1 (pas d'épitaxe) 15 ~286,2 107,2 141-1 " 162-638 441,3 142-2 " 27-131 63,3 206 Effet de la diffusion 5# et de la contrainte par vibration sonore sur la duree de vie des porteurs dans du silicium épitaxial de type N Substrat Contrainte sur la durée de vie moyenne de surface inférieure Ils la durée de vie -------------------------------------------------------- de référence 5# 1 Non 0,38 ~ 2,94 1,10 3 M 0,04 N 1,46 0,39 4 " 0,68# 7,66 3,93 - 53,9 25,9| 9,93-53,9 25,9 5 2 " 0,063 ~ 0,73 0,32 0,75 dé référence 1 Qui 0,64 ~ 6,81 2,47 2 " 2,87 #12,9 7,56 3 " 25,8 # 93,5 4 i t 0,68 - 7,66 3,93 5 " 0,016 ~ 2,02 1,14 13,7 Choisi A Oui 0,19 ~14,3- - 6,29 s I 10,3 -60,7 32,2 C n 0,17 N 14,7 8,50 D " 11,4 ~ 43,5 23,7 E i 1l 5,74 - 9,38 7,09 15,6 de contrôle 148-1 Non épitaxial 363-488 359 149-1 t 433-712 558 150-1. II 43,4N108 80,5 332,5 En effectuant une comparaison entre les valeurs des deux tableaux on pourra saisir l'intérêt que présente la technique de génération des contraintes par vibrations sonores comparée aux autres traitements de tranches disponibles. Des investigations par microscope électronique ont révélé que les défauts principaux dans le silicium épitaxial de type N sont les défauts d'empilement pendant la croissance, les défauts d'empilement induits par l'oxydation, et des monticules. Ces défauts, principalement les défauts d'empilement induits par l'oxydation, réduisent considérablement la durée de vie. La conclusion à laquelle on aboutit est importante car elle assure l'impact sur la durée de vie, de cette génération de contraintes par vibrations sonores sur la face inférieure de la tranche avant le dépôt épitaxial. Cette amélioration est due à la réduction du nombre de défauts. EXEMPLE 3 L'intérêt de cette technique dans le traitement des dispositifs peut aussi être démontré dans l'étape de croissance de films de silicium épitaxiques de qualité élevée sur des couches d'azote implantées. On a démontré que les films de nitrure de silicium peuvent être obtenus à la surface gracie à l'implantation d'ions d'azote à énergie élevée cependant que la couche de silicium au-dessus de la surface reste monocristal sans les applications, ces dispositifs causent des problèmes en ce qui concerne la durée de vie des porteurs dans cette couche de silicium monocristalline.En conséquence, on a proposé de faire croître du silicium epitaxique sur de tels cristaux obtenues par implantation de façon à améliorer la qualité du silicium; cependant, des difficultés apparaissent qui concernent la qualité des films epitaxiques. La génération de contraintes par vibration sonores pour améliorer les durées de vie du silicium épitaxique sur la surface de silicium obtenue par implantation ionique peut être réalisée après l'operation d'implantation mais doit l'être avant éxpitaxie. Le traitement peut être résumé par les étapes suivantes: a) implantation sous une énergie élevée comme décrit dans le brevet des E.U.A. N 3.622.382. ------------------------------------------------------------------------------ b) génération de contraintes par vibrations sonores de la tranche sur la face non implantée .de la tranche. c) cuisson de la tranche de façon à obtenir le film de silicium-nitrure que décrit dans le brevet des E.U.A. N 3.622.382; et d) dépôt épitaxique. Les tables ci-dessous et ci-contre montrent la duree de vie dans du silicium épitaxial de type N sur des substrats implantés Arsenic à la fois avec et sans génération de contraintes sur la face inférieure. Durée de vie dans la couche epitaxiale de silicium de type N Aucun substrat implanté par de l'arsenic (énergie 80 KeV) ------------------------------------------------------------------------------ Echantillon pas d'mplantation Implantation As dose/cm2 (demitranche) (demi-tranche) durée de vis (s) durée de vie (pus) de référence 127-1 0,15 0,028 1 10 choisi 127-9 0,5 0,035 1013 de référence127-5 0,37 0,251 1013 choisi 127-11 1,37 0,79 1014 (Suite) Aucun substrat implanté par de l'arsenic (energie 80 KeV) Echantillon pas d'implantation Implantation As dose/ci2 (demi-tranche) (demi-tranche) durée de vie ( s) durée de vie ( s) ------------------------------------------------------------------------------de référence128-1 0,051 0,068 1015 choisi 128-9 0,76 0,94 1015 de référence128-5 4,86 2,51 1016 choisi 128-11 1,54 0,92 1016 Effet de la génération de contraintes par vibrations sonores sur la durée de vie de la couche épitaxiale de silicium de type N sur un substrat implante par de l'arsenic pas d'implantation implantation As Echantillon (demi-tranche) (demi-tranche) dose / cm2 durée de vie ( s) durée de vie ( s) ------------------------------------------------------------------------------- de référence127-2 5,43 2,64 10. choisi 127-10 2,57 1,63 1013 de référence 127-6 2,30 1,51. 1014 choisi 127-12 de référence128-2 2,51 1,37 1014 choisi -128-10- 2,42 0,21 1015 de référence 128-6 0,085 0,15 1016 choisi 128-12 3, 0,47 0,13 1015 3,48 1,39 1016 A partir de ces exemples, il apparait clairement que l'application de contraintes par vibrations sonores améliore la duree de vie à la surface du dispositif. Cette technique est bénéfique pour tous les dispositifs semiconducteurs, en particulier pour les mémoires dynamiques, les dispositifs bipolaires, les cellules solaires et les dispositifs de puissance. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: élaboration d'un substrat semiconducteur, application audit substrat de vibrations sonores mettant en mouvement des billes disposées sur une première surface dudit substrat afin d'endommager ladite surface avec des défauts contrlés et reproductibles, soumission dudit substrat à au moins une étape a température élevée pour procéder à un traitement thermique de la seconde surface dudit substtat opposée à ladite première surface, choisi dans le groupe comprenant: l'oxydation, la diffusion et l'implantation ionique.