Brevet FR2322454A1 — publié le 19770325

La présent.,. invention concerne un procédé de formation de plusieurs ~'\onctions dans une plaquette semi-conductrice par diffusion simultanée d'impuretés des groupes III et V de la Classifictltion Périodique des Eléments, et plus précisément un proc~sle de retrait des couches superficielles perturbées d'une plaquette ayant subi une diffusion d'éléments des groupes III et V et de redistribution de la concentration des impuretés des groupes III et V dans la plaquette. On connart déjà la formation de plusieurs jonctions P-N au cours d'une adule étape de diffusion, à l'aide de souri ces d'éléments des groupes III et V, comme décrit par exemple dans la demande de brevet français n0 75 45 554 déposée le 19 décembre 1973 par la Demanderesse. Cette demande décrit la diffusion simultanée en tube fermé de composés intermétalli.- ques d1éléments des groupes III et V dans des plaquettes semi-conductrices.Cette diffusion permet l'obtention d'au moins deux jonctions diffusées dans les plaquettes puisque les coefficients de diffusion et les solubilités à des taches solides des deux éléments choisis comme impuretés dans le semi-conducteur ne sont pas les mêmes, Les profils de diffusion des éléments des groupes III et V peuvent ainsi entre modifiés dans une certaine mesure par réglage de la température de diffusion, du temps de diffusion et des pressions partielles des éléments dans le tube fermé. L'invention concerne aussi un procédé de réglage des profils de concentration des impuretés et des profondeurs de plusieurs jonctions P-N dans une plaquette semi-conductrice. En particulier, lorsque les impuretés des groupes III et V ont diffusé dans la plaquette, une étape supplémentaire de diffusion en tube ouvert, assurant une progression, est appliquée à la plaquette. Une couche dioxyde est formée par croissance à la surface de la plaquette pendant la totalité ou une partie seulement de cette étape de diffusion. L'oxyde absorbe#les impuretés du groupe III en les retirant du semi-conducteur et rejette ou empile les impuretés du groupe V au niveau de la surface de croissance. Le temps et la température de croissance et l'épaisseur de l'oxyde ont une influence sur la réduction de la concentration superficielle de l'élément du groupe III et sur l'augmentation de la concentration superficielle de l'élément du groupe V.Le profil de concentration de l'élément du groupe III est abaissé alors que le profil de l'élément du groupe V est rendu plus abrupt. Lorsqu'on l'applique plus précisément à la réalisation de dispositifs du type des thyristors, le réglage des concentrations des impuretés des éléments des groupes III et V comme indiqué précédemment provoque une augmentation du rendement d'émetteur, une augmentation de la tension de blocage, une augmentation de la vitesse de commutation (étant donné un étalement plus rapide du plasma dans la région de base de type P) et une augmentation de la résistance au déclenchement dV/dt. On constate selon une autre caractéristique de l'in vention que l'oxydation de la surface de la plaquette permet le retrait de la totalité ou d'une partie de la couche superficielle qui a été perturbée par le polissage mécanique. Ainsi, on polit couramment les plaquettes semi-conductrices afin qu'elles aient une épaisseur prédéterminée nécessaire à un dispositif particulier avant le traitement par diffusion. Il reste une couche perturbée à la surface du semi-conducteur, cette couche facilitant la diffusion des impuretés des grou- pes III et V. L'oxydation de la surface du semi-conducteur permet le retrait de la totalité ou d'une partie de cette couche perturbée (le silicium de la couche perturbée étant incorporé à la couche de bioxyde de silicium).Le profil de concentration des impuretés, la concentration superficielle et la profondeur de la Jonction peuvent titre ainsi rendus fonction de la quantité de la couche superficielle perturbée retirée (c'est-à-dire fonction de l'épaisseur de l'oxyde). Le retrait de la couche par oxydation permet une réduction de la contamination et un réglage précis de l'épaisseur de la couche permettant le retrait chimique de la couche. Dans le cas de l'application aux thyristors, les profondeurs des jonctions des dispositifs, les profils de concentration des impuretés et les concentrations superficielles donc les caractéristiques électriques des thyristors, peuvent être réglés avec précision. Il faut noter qu'on sait déjå que les impuretés du groupe III s'échappent par diffusion d'une plaquette semi conductrice et pénètrent dans une couche d'oxyde formée thermiquement sur une surface de la plaquette, comme décrit par exemple dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 3 320 103 et 3 573 113. Cependant, cette extraction par diffusion est toujours réalisée uniquement pour une seule Jonction P-N et non pas pour plusieurs Jonctions P-N, en même temps qu'une diffusion combinée d'éléments des groupes III et V de la Classification Périodique des Eléments. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une coupe schématique d'un récipient étanche de diffusion contenant un composé intermétallique d'éléments des groupes III et V, un métal pur du groupe III et une nacelle contenant des plaquettes semi-conductrices qui doivent subir une diffusion ; - la figure 2 est une que en plan d'un exemple de plaquette qui peut être placée dans la chambre de diffusion de la figure 1 - la figure 3 est une coupe de la plaquette de la figure 2, suivant la ligne 3-3 - la figure 4 représente la plaquette de la figure 3 après formation d'une couche de silice ; ; - la figure 5 représente la plaquette de la figure 4 après formation d'une fenêtre unique avant fabrication d'un thyristor - la figure 6 représente la formation de jonctions dans la plaquette de la figure 5 après diffusion dans la chambre de la figure I - la figure 7 représente la plaquette de la figure 6 après formation d'une couche d'oxyde sur toute sa surface et après mise en oeuvré de la diffusion en tube ouvert, selon l'invention - la figure 8 est un graphique représentant la variation de la concentration des impuretés des groupes III et V avant et après la diffusion de pénétration en tube ouvert sur la plaquette de la figure 7, les ordonnées représentant la concentration des impuretés et les abscisses la distance à par tir de la surface supérieure de la plaquette, les traits pleins et les traits interrompus correspondant respectivement à avant et après la diffusion - la figure 9 représente la plaquette de la figure 7 après formation de couches conductrices sur ce qui doit devenir la surface cathodique - la figure 10 représente la plaquette de la figure 9 après découpe inclinée de la périphérie afin que des Jonctions isolées soient délimitées ; et - la figure Il représente la plaquette de la figure 10 après addition d'électrodes de gâchette et d'anode, le dispositif étant prêt à être disposé dans un bottier convenable. La figure 1 est une coupe schématique d'un appareil du type décrit dans la demande précitée de brevet français, permettant la diffusion simultanée d'éléments des groupes III et V dans une plaquette semi-conductrice. Ainsi, un récipient 20 de diffusion est fermé par un bouchon 21 de quartz et contient une source 22 d'un composé intermétallique d'éléments des groupes III et V, et une source 23 de métal pur correspondant. Cette dernière est habituellement en métal du groupe III du composé 22. Une nacelle classique 24 portant plusieurs plaquettes 25 distantes de silicium est alors placée dans la chambre 20. Les plaquettes 25 sont habituellement en silicium monocristallin préalablement préparé; comme décrit dans la suite en référence aux figures 2 à 5, avant introduction dans la chambre 20. Le composé intermétallique 22 d'éléments des groupes I et V est avantageusement de l'arséniure de gallium sous forme stoechiométrique pure et le métal 23 est avantageusement du gallium. Dans une variante; le composé 22 peut etre le phosphure ou ltantimoniure de gallium. Dans ce cas, le gallium métallique pur constitue aussi.la source 23. Dans un autre exemple, le composé peut être l'antimoniure d'aluminium et l'aluminium forme le métal du groupe III de la source 23. Lors de la préparation des plaquettes 25 en vue de la diffusion, on prépare une plaquette de type N comme représenté sur les figures 2 et 3 et qui peut avoir de façon classique un diamètre compris entre 17,8 et 33 mm et une épaisseur comprise entre 0,2 et 0,38 mm. La plaquette peut avoir une résistivité comprise entre 15 et 300 D.cm. La première étape de l'opération est la formation d'une couche 26 de silice sur la plaquette 25, par mise en oeuvre d'un procédé quelconque connu. Par exemple, on peut chauffer la plaquette dans un four Jusqu'à une température de l'ordre de 1200 C, avec une atmosphère d'oxygène gazeux et de vapeur d'eau, pendant un temps donné. Dans 11 exemple particulier de la fabrication d'un thyristor, la couche de silice a une épaisseur comprise entre 0,25 et 5 microns. Lors de la fabrication d'un dispositif à thyristor et comme représenté sur la figure 5, une fenêtre circulaire 27 est formée dans la couche 26 de silice par mise en oeuvre des techniques classiques utilisant une réserve photographique et une-attaque chimique pour l'exposition de la surface nue de la-plaquette 25 par la fenêtre 27. Les plaquettes du type représenté sur la figure 5 sont alors nettoyées et placées dans la nacelle 23 de la figure 1 puis introduites dans la chambre 20. La chambre 20 est avantageusement préparée- de manière classique et elle est balayée par un gaz inerte convenable tel que i1 argon, à une pression de 270 torr par exemple. Le rtle de ce gaz est d'empêcher l'affaissement du tube 20 lorsqu'il subit les températures très élevées de diffusion, et il maintient de plus une atmosphère propre et inerte au cours de la diffusion. Simultanément, un composé intermétallique 22 d'éléments des groupes III et V, de préférence de l'arséniure de gallium, et du gallium métallique pur sont placés dans le récipient 20. Par exemple, lorsque 200 plaquettes doivent subir simultanément la diffusion, on obtient de bons résultats avec 1,4 g d'arséniure de gallium et Q,6 g de gallium. Comme indiqué précédemment, d'autres composés intermétalliques d'éléments des groupes III et V et d'autres métaux purs peuvent étre placés dans le tube, à la place de l'arséniure de gallium et du gallium pur. Ensuite, la température dans le récipient 20 est élevée, un exemple de diffusion durant environ 40 h à 1237 C. La diffusion progresse alors à partir de l'atmosphère de gallium et d'arsenic qui entoure les plaquettes 25 afin que les atomes d'impureté de gallium de type P diffusent plus rapidement que les atomes d'impureté d'arsenic de type N et de plus afin que le gallium de type P pénètre dans le cache 26 de silice facilement alors que l t arsenic de type N ne pénètre pas dans le cache 26. Lors de la sélection du composé intermétallique particulier, il est nécessaire de choisir deux atomes d'impureté ayant des coefficients de diffusion déterminés à la température de diffusion. De plus, les deux impuretés différentes doivent avoir des limites de solubilité et des vitesses de diffusion particulières dans la couche de silice utilisée comme cache de diffusion. Ainsi, la sélection dtépaisseurs différentes de silice permet le retard de l'ar- rivée de certains atomes d'impureté à la surface du silicium ou l'exclusion de tels atomes. La figure 6 représente le dessin de diffusion et des jonctions formées dans la plaquette de la figure 5, et on note qutune enveloppe 30 de type P s'est formée autour d'un noyau 31 de type N dans la plaquette. Une région 32 de type N-est formée sous la fenêtre 27. L'enveloppe 30 de type P est formée par les atomes d'impureté de gallium qui pénètrent dans la couche 26 de silice Jusqu'à la profondeur de la région 31 dtAame de type N. La face externe de la région de type P a une résistance laminaire d'environ 10 Q par carré dans l'exemple considéré. La région 32 de type N formée dans la fenêtre 27 est réalisée car les atomes d'arsenic peuvent atteindre la surface du silicium qui est exposée par la fenêtre 27. La région est de type N car les atomes de gallium de type P diffusent beaucoup plus rapidement que les atomes d'arsenic de type N et parce que la concentration de l'arsenic est bien supérieure à celle du gallium à la surface. Ainsi, la région 32 reste de type N et sa surface a une résistance laminaire d1environ 0,4 n par carré à la fin du cycle de diffusion. Il faut noter que la diffusion simultanée du composé intermétallique d'éléments des groupes III et V, lorsque la concentration est modifiée par un métal pur, par exemple du groupe III, donne une très grande latitude pour la sélection des profondeurs de jonction, des répartitions des régions d'impuretés et-des gradients dwimpuretés par réglage des paramètres suivants (1) le poids de la source 22 (2) le poids de la source 23 (3) la température de diffusion (4) la durée de la diffusion à la température précédente (5) 11 emplacement et la température des impuretés dans le tube fermé de diffusion. On obtient de bons résultats lorsque le rapport de l'arséniure de gallium au gallium pur dans le tube fermé de la figure 1 est sensiblement de 2/1 en poids.Dans le procédé décrit, la région 32 de type N a une profondeur d'environ 25 microns alors que l'enveloppe 30 de type P a une profondeur d'environ 55 microns sur toute la surface du dispositif. Selon l'invention, les plaquettes de la-figure 6, après diffusion, sont retirées de la chambre de la figure 1, et on retire la couche 26 d'oxyde par trempage dans l'acide fluorhydrique des plaquettes qui sont alors disposées dans une chambre de diffusion à tube ouvert. Ces plaquettes sont alors exposées à un courant de vapeur d'eau qui forme une couche 39 de silice à la surface du silicium. Par exemple, la couche 39 a une épaisseur de 3 microns. La chambre de diffusion est portée à 12000C environ pendant 60 h environ afin que les impuretés des groupes III et V se répartissent à nouveau comme représenté sur la figure 8 sur laquelle les traits pleins représentent les concentrations des impuretés avant la diffusion en tube ouvert et les traits interrompus ces mêmes concentrations après cette diffusion.L'oxydation au cours de cette diffusion d1entratnement dure par exemple pendant 10 h. Pendant les 50 h restantes, les plaquettes subissent la diffusion en atmosphère neutre, par exemple d'azote sec. La fin de la réalisation d'un thyristor avec la plaquette comprend le retrait des plaquettes de-la figure 7 de la chambre de diffusion en tube ouvert et le nettoyage convenable. Ensuite, comme représenté sur la figure 9, les plaquettes sont rev8tues d'abord d'une couche 40 de nickel, puis d'une couche 41 d'or formée sur la région exposée 27. Plus précisément, lors du nettoyage de la plaquette de la figure 7, celle-ci subit une attaque convenable afin que la fenêtre 27 soit exposée et légèrement attaquée si bien que la région dans laquelle la limite de la matière 32 de type N recoupe la face supérieure de la plaquette,est exposée. Une couche inférieure de nickel 40 est alors appliquée par un procédé classique de dépôt chimique, et le nickel ntadhère qu'à la surface exposée du silicium, et pas à la couche 39 de silice. La couche 40 de nickel est alors suivie d'une couche 41 d'or qui n'adhère qu'à la couche 40 de nickel. Il faut noter que les couches 40 et 41 dépassent légèrement le bord de la Jonction formée entre les régions 32 et 30 et forment une connexion d'émetteur en court-circuit dans le dispositif terminé. La plaquette de la figure 9 est alors exposée à un sablage au cours duquel la périphérie de la plaquette est retirée par sablage et prend une configuration conique 50, le sablage découpant les bords de la région 31 de type N et délimitant ainsi deux Jonctions isolées 51 et 52 dans le dispositif représenté sur la figure 10. Ces jonctions coopèrent avec la jonction supplémentaire 53 et forment un thyristor triode à blocage inverse de type classique. Le dispositif est alors terminé comme représenté sur la figure 11, par addition d'un fil 60 de gâchette en aluminium et d'une électrode anodique 61 en molybdène ou en tungstène de type classique. La structure terminée en sandwich peut alors etre placée dans un bottier convenable. Il est bien -entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS Procédé de formation de plusieurs jonctions P-Ndistantes dans une plaquette en silicium mono cristallin, caractérisé en ce qu'il comprend la formation d'un cache de diffusion ayant au moins une fenêtre, à la surface externe de la plaquette de silicium, la disposition de la plaquette et d'une quantité mesurée d'impuretés des groupes III et V dans un four de diffusion, le chauffage de la plaquette dans ce four, à une température qui provoque la diffusion simultanée des impuretés des groupes III et V dans la plaquette, avec formation, dans un seul cycle de diffusion, d'une région de type P dans la plaquette au-dessous du cache de diffusion et d'une région de type N dans la région de la plaquette qui est exposée par la fenêtre du cache, puis le retrait du cache et le dépit d'une couche d'oxyde sur l'ensemble de la plaquette, avec élévation de la température de celle-ci, de manière que la concentration des impuretés des groupes III et V varie dans la plaquette. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'oxyde a une épaisseur comprise entre 2 et 3,6 microns, et la plaquette et la couche d'oxyde sont chauffées entre 1000 et 13000C pendant un temps compris entre 5 et 80 h. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, ca caractérisé en ce que la couche d'oxyde est formée dans un four de diffusion à tube ouvert. 4. Procédé de formation de plusieurs jonctions P-N distantes dans une plaquette de silicium monocristallin, caractérisé en ce qu'il comprend la formation d'un cache de diffusion à la face externe de la plaquette de silicium, la formation d'au moins une fenêtre dans ce cache, la disposition de la plaquette dans un four de diffusion et la disposition d'une masse mesurée d'un composé intermétallique d'éléments des groupes III et V et d'une masse mesurée d'un métal pur choisi dans le groupe qui comprend les métaux des groupes III et V, dans le four de diffusion, le chauffage de ce four à une température qui provoque. la diffusion et la formation, dans un cycle unique de diffusion, d'une région. de type P placée sous le cache de diffusion dans la plaquette et d'une région de type N placée dans les régions de la plaquette qui sont exposées par le cache, puis le retrait du cache et le dépit d'une couche d'oxyde sur l'ensemble de la plaquette, la température de celle-ci étant élevée, afin que la concentration des impuretés des groupes III et V varie dans la plaquette. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le cache de diffusion est une couche de silice. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la entre est# formée près d'une face de la plaquette. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le composé intermétallique d'éléments des groupes III et V est l'arséniure de gallium et le métal du groupe III est le gallium pur. 8. Procédé#selon la revendication 4, caractérisé en ce que le four de diffusion est fermé de manière étanche et est rempli d'un gaz inerte. 9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaquette de silicium a une conductivité de type N avant diffusion.