Brevet FR2390004A1 — publié le 19781201

La présente invention a pour objet un procédé de réalisation de dispositifs semiconducteurs présentant au moins une jonction du type P-N et l'application de ce procédé à la réalisation de transistors à jonctions. De façon plus précise, la présente invention concerne un procédé de réalisation de jonctions du type P-N dans un matériau semiconducteur à partir d'un matériau semiconducteur amorphe L'invention vise également par ce procédé à la réalisation d'un transistor à jonctions de type classique. Pour comprendre llintérêt du procédé, il est utile de rappeler les procédés classiques de réalisation de jonctions P-N et, en particulier, leur application à la réalisation de transistors à jonctions. Pour rappeler le procédé classique de réalisation d'un transistor bipolaire on se réfèrera à la figure 1 qui illustre le procédé de l'art antérieur La technique à laquelle on se refèrera est la technique connue sous le nom de "Planar", Cette technique est illustrée de façon simplifiée par la figure 1 annexée. Sur un substrat 2, on réalise une couche mince 4 en matériau semiconducteur, par exemple du type n. Cette zone donnera ultérieurement le collecteur du transistor. Ensuite, par des techniques classiques de masquage et de dopage, par exemple par diffusion gazeuse, on réalise la zone 6 de base par un dopage de type p. Enfin, on réalise la zone 8 de type n qui constitue l'émetteur par un sur-dopage pour obtenir un dopage final de type n.Ensuite, on réalise la couche d'isolant 10 et les contacts électriques 12, 14 et 16. Comme on le sait, les différentes diffusions peuvent être réalisées à travers des fenêtres ménagées dans la couche d'isolant 10. Dans ce mode de réalisation, la couche épitaxiale est par exemple un monocristal semiconducteur de silicium. La présente invention met en oeuvre le phénomène de cristallisation, notamment la photocristallisation. Dans cet effet, et d'une façon générale, on part d'un matériau semiconducteur amorphe dopé Par apport d'énergie on transforme la structure amorphe de ce matériau en une structure polycristalline qui, comme on le sait, est proche par sa caractéristique électrique d'un cristal dopé, du moins en ce qui concerne l'effet transistor Cet effet de cristallisation, notamment la photocristallisation est bien connu et il n'est donc pas nécessaire de le décrire plus amplement. On pourra avantageusement se reporter à la publication : H.FRITZSCHE po 575 du livre "Electronic and Structural Properties of Amorphous Semiconductors" par P#G LECOMBER et J#MORT, Academic Press 1973. Selon le procédé, on soumet à cette énergie susceptible de produire l'effet de cristallisation ou de photocristallisation la seule partie du matériau semi-conducteur amorphe dans laquelle on veut réaliser une des parties de la jonction P-N ou, plus précisément, une partie de la région active du composant. Les autres parties non soumises à ce rayonnement conservent leur structure amorphe et, malgré leur dopage initial éventuel, constituent une isolation entre les différents composants que l'on peut vouloir réaliser sur une même couche épitaxiale. Le procédé objet de l'invention, se caractérise en ce que, sur un substrat, on réalise une première couche de semiconducteur amorphe uniformément dopée avec un premier type d'impuretés, en ce qu'on soumet la ou les régions de ladite couche à activer, à un faisceau localisé ayant une énergie suffisante pour transformer en polycristal la ou lesdites régions soumises audit faisceau par cristallisation, en ce qu'on réalise sur ladite première couche une deuxième couche de semiconducteur amorphe dopée avec un deuxième type d'impuretés et en ce qu'on soumet la ou lesdites régions à activer de la deuxième couche à un faisceau localisé ayant une énergie suffisante pour transformer en polycristal la ou lesdites régions soumises audit faisceau par cristallisation. L'invention concerne également l'application du procédé à la réalisation d'un dispositif semiconducteur présentant un effet transistor. Cette application se carac térise en ce que, sur un substrat, on dépose une première couche en matériau amorphe semiconducteur dopée avec un pre mier type d'impuretés, en ce qu'on soumet à un faisceau énergétique localisé la partie de ladite première couche qui doit constituer le collecteur, en ce qu'on dépose sur celle-ci une deuxième couche en matériau amorphe semiconducteur dopée avec un deuxième type d'impuretés et en ce qu'on soumet à un faisceau énergétique localisé la partie de ladite deuxième couche devant constituer la base, en ce qu'on dépose sur ladite deuxième couche une troisième couche en matériau amorphe semiconducteur dopé avec ledit premier type d impuretés et en ce qu'on soumet à un faisceau énergétique localisé la région devant constituer l'émetteur, en ce qu'on ménage dans lesdites deuxième et troisième couches une fenêtre, et en ce qu'on réalise des métallisations de contact électrique dans lesdites fenêtres et sur ladite région d'émet- teur De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation d'un transistor bipolaire selon le procédé objet de l'inventison La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, une vue en coupe verticale d'un transistor bipolaire obtenu par un procédé classique, cette figure ayant déjà été décrite, et - sur la figure 2, une vue en coupe verticale d'un transistor bipolaire obtenu par la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention Sur la figure 2, on a illustré un exemple de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention pour la réalisation d'un transistor bipolaire du type N-P-N. On part d'un substrat 20, par exemple en isolant (qui peut être réalisé en spinelle ou en saphir) sur lequel on dépose une première couche mince de semlconducteur amorphe 22 contenant une concentration d'impuretés donnée de type N (par exemple du phosphore) Ce maté rlau semiconducteur amorphe peut être du silicium amorphe A l'aide par exemple d'un éclairement laser, on cristallise la région 24 à l'intérieur de la couche 22 Cette région 24 donne ainsi le collecteur du transistor, on obtient en 24 un polycristal de silicium de type N. Bien entendu, on localise par tous moyens adéquats l'éclairement laser pour définir la zone 24, Dans une deuxième étape, on dépose sur la couche 22 une deuxième couche mince 26 de semiconducteur amorphe mais avec une impureté de type P (du bore par exemple) Par un éclairement laser du même type, on cristallise par photocristallisation la zone 28 de la couche 26 qui constitue ainsi la base du transistor et qui est du type PO Sur cette couche 26, on dépose une troisième couche 30 en silicium, par exemple amorphe, dope du type N. On crée toujours par laser la zone cristallisée 32 qui constitue l'émet- teur du transistor. Bien entendu, dans chaque cas, on localise le faisceau laser pour obtenir effectivement la zone souhaitée sous forme de silicium polycristallin.On dépose ultérieurement les électrodes de collecteur 34 de base 36 et d'émetteur 38 pour réaliser les contacts électriques après avoir ouvert les fenêtres 40 et 42 dans les couches 26 et 30. En fait, la réalisation d'une simple jonction N-P ne requiert aucune précaution particulière dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Il s'agirait par exemple d'une jonction de type N-P constituée par les zones 24 et 28 de la figure 2 Toutefois, l'obtention d'un effet transistor obéissant à un certain nombre de principes élémentaires, il faut que certaines données précises soient respectées. On sait que l'essentiel du phénomène lié à l'effet transistor a lieu dans l'épaisseur de la base 28. Afin d'obtenir un dispositif acceptable, il faut que l'épaisseur de cette base (distance entre l'émetteur et le collecteur) soit plus faible que la longueur de diffusion des porteurs injectés de l'émetteur, Or, cette longueur de diffusion est une fonction de la durée de vie de ces porteurs dans la base et de leur mobilité. On appellera T cette durée de vie et 1I cette mobilité. Dans les transistors classiques obtenus par le procédé Planar, le produit des quantités 11 x T varie de 10 à à 10 4 cm2 V1. Pour un semicon- ducteur amorphe, la durée de vie est faible, de l'ordre de 2.10-7s, par exemple, et la mobilité est également relativement faible de l'ordre de 2 cm21V,s. On obtient ainsi, pour ce type de matériau un produit ,UT de l'ordre de 4 e 10 cm2 V lo Pour un isolant, tel que de la silice, le produit T est su périeur à 10-9 cm2 V-1.Le semiconducteur polycristallin de la zone 28 se situera à une valeur du produit 1.IT largement infé- rieure à 4.10-7 cm2 V-1, ce qui donne une épaisseur de base très supérieure à 100 A I1 est donc possible de réaliser un dispositif présentant effectivement un effet transistor par le procédé décrit en constatant que le semiconducteur amorphe polycristallisé est proche des caractéristiques électriques du cristal dopé et que le semiconducteur amorphe restant est proche des caractéristiques électriques d'un isolant On a ainsi une isolation d'un composant par rapport aux autres composants que l'on veut réaliser dans le même substrat semi-conducteur amorphe En ce qui concerne la concentration des impuretés dans le semiconducteur amorphe de départ, il faut respecter plusieurs impératifs. Cette concentration doit toujours être suffisamment faible pour que la résistivité de la partie qui reste amorphe reste faible. Cette concentration doit être suffisante dans la zone d'émetteur par rapport à la zone de base pour obtenir un taux d'injection suffisant. Enfin, elle doit être donnée pour la base de telle façon qu'on obtienne à la fois une concentration constante de diffusion, une durée de vie des porteurs suffisante et une tension de claquage suffisante Par ailleurs, il faut que les parties polycristalli sées, (régions 32, 28 et 24) soient telles qu'elles ne servent pas de germe de cristallisation pour les parties qui doivent rester amorphes, ce qui entrainerait une cristallisation indé- sirable Le semiconducteur amorphe peut être du silicium, du germanium ou tous composés semiconducteurs Par exemple, on peut utiliser du sélénium ou des composés du sélénium. Le dépôt en couche mince du matériau amorphe peut se faire par tout précédé connu. Cependant, la pulvérisation cathodique de silicium à haute fréquence dans une décharge gazeuse de silane parait particulièrement bien appropriée. Le dopage peut être obtenu soit par une cible composite comportant en plus l'impureté de dopage, soit par l'adjonction de gaz d'impuretés dans le silane (diborane, phosphine, etc...). La cristallisation du matériau semiconducteur amorphe est obtenue, comme on l'a déjà expliqué, par application d'une énergie suffisante. La source d'énergie la mieux adaptée parait être le laser car celui-ci peut être programmé pour effectuer un dessin quelconque, le circuit recherché en l'occurrence. Cette programmation permet ainsi d'obtenir une localisation des zones qui doivent être transformées en polycristaux. Cependant, d'autres méthodes telles queues faisceaux d'électrons, des rayonnements ultraviolets, des rayons X peuvent être sa tisfaisantes Plus précisément, dans le cas des lasers, on peut utiliser des lasers continus et de faible puissance, par exemple de l'ordre de 100 mW. En particulier on peut utiliser des lasers à gaz (argon, krypton) ou des lasers à colorants Le phénomène de cristallisation localisée peut encore être obtenu en soumettant la plaquette à un faisceau d'électrons d'énergie adéquate. La description précédente concerne la réalisation d'un transistor classique avec trois dépôts successifs de couches dopées. Il est bien sûr possible d'avoir sur un seul substrat isolant plusieurs de ces éléments et de constituer ainsi de manière collective des fonctions analogues aux circuits intégrés classiques Cette technique paraît particulièrement applicable à la réalisation des fonctions logiques dont il est prouvé aujourd'hui qu'elles peuvent fonctionner avec des composants ayant de faibles performances. D'autres applications bien sûr peuvent être envisagées, telles que des applications optiques, thermiques, photoélectriques, etc... Par rapport aux techniques classiques de réalisation de jonction P-N et, plus particulièrement, de dispositifs pré sentant un effet transistor, on perçoit aisément les avantages Dans les techniques classiques, un grand nombre d'opérations doivent être faites telles que des diffusions, des oxydations, des masquages, etc.. Avec cette nouvelle méthode, il suffit de déposer chaque couche avec son impureté et de la balayer avec un faisceau laser programmé ou un faisceau d'électrons pour avoir directement le dessin du circuit, correspondant aux différentes zones actives. En effet, la partie de la couche initiale qui reste sous forme amorphe constitue un isolant entre les différents éléments du circuit intégré logique. Enfin, le procédé peut être étendu aux transistors à effet de champ : la zone active fonctionnant en déflection serait en semiconducteur amorphe cristallisé. REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation de dispositifs semiconducteurs présentant une jonction P-N, caractérisé en ce que, sur un substrat, on réalise une première couche de semiconducteur amorphe uniformément dopée avec un premier type d'impuretés, en ce qu'on soumet la ou les régions de ladite couche à activer à un faisceau localisé ayant une énergie suffisante pour transformer en polycristal la ou lesdites régions soumises audit faisceau par cristallisation, en ce qu'on réalise sur ladite première couche une deuxième couche de semiconducteur amorphe dopée avec un deuxième type d'impuretés et en ce qu'on soumet la ou lesdites régions à activer de la deuxième couche à un faisceau localisé ayant une énergie suffisante pour transformer en polycristal la ou lesdites régions soumises audit faisceau par cristallisation 2.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit faisceau énergétique localisé est produit par un laser donnant ainsi une photocristallisation. 3. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que ledit faisceau énergétique localisé est choisi dans le groupe comprenant les faisceaux d'électrons, les ultraviolets, les rayons X. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur amorphe est du silicium amorphe 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur amorphe est choisi dans le groupe comprenant le germanium, le sélénium, des alliages du sélénium. 6. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 à la réalisation d'un dispositif semiconducteur présentant l'effet transistor et comportant un collecteur, une base et un émetteur, caractérisée en ce que sur un substrat, on dépose une première couche en matériau amorphe semiconducteur dopée avec un premier type d'impuretés, en ce qu'on soumet à un faisceau énergétique localisé la partie de ladite première couche qui doit constituer le collecteur, en ce qu'on dépose sur celle-ci une deuxième couche en matériau amorphe semiconducteur dopée avec un deuxième type d'impuretés et en ce qu'on soumet à un faisceau énergétique localisé la partie de ladite deuxième couche devant constituer la base, en ce qu'on dépose sur ladite deuxième couche une troisième couche en matériau amorphe semiconducteur dopé avec ledit premier type d'impuretés et en ce qu'on soumet à un faisceau énergétique localisé la région devant constituer l'émetteur, en ce qu'on ménage dans lesdites deuxième et troisième couches une fen#tre, et en ce qu'on réalise des métallisations de contact électrique dans lesdites fenêtres et sur ladite région d'émetteur 7. Application selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit substrat est en matériau isolant.