Brevet FR2409791A1 — publié le 19790622

La présente invention concerne un procédé et un appareil de diffusion de dopant dans un semi-conducteur en tube semi-ouvert. Dans l'art antérieur, deux procédés sont couramment utilisés dans les techniques de;fabrication d'éléments a base de semi-conducteurs pour doper par diffusion des substrats semi-conducteurs. Ces techniques sont appelées dans la pratique diffusion en tube scellé et diffusion en tùbe ouvert et seront brièvement rappelées ci-dessous en relation avec les figures 1 et 2,respectivement. Comme le représente la figure 1, dans le procéde de diffusion en tube scellé, un premier tube 1 est disposé dans un four 2. A l'intérieur de ce premier tube l'est disposé un deuxieme tube 3 qui est scellé et comprend les tranches de semi-conducteur à doper 4, une source de dopant choisie 5, ainsi qu'éventuellement un gaz approprié. Le tube scellé 3 est d'une longueur telle qu'il ne déborde pas d'une zone de température homogène du four. La précision du tube lest necessaire étantdonné qu'il n'est pas possible dans la pratique de faire glisser directement un tube en quartz dans la partie interne d'un four classique dont le profil est par exemple tel que représenté en figure 1.Dans le cas d'une diffusion de gallium, du gallium est déposé sous forme métallique simple dans l'enceinte étanche qui est remplie d'argon. La figure 2 illustre de façon schématique le procédé de diffusion en tube ouvert. Un tube 10, qui est dispose dans un four 2, est ouvert à l'une de ses extrémités (extrémité de droite dans la figure) et reçoit une entrée de gaz à son autre extrémité. Par l'ouverture du tube sont glissées des tranches 4 à traiter et une source de dopant 11. Dans le cas par exemple d'un dopage au gallium, la source de dopant est du Ga203 et le gaz circulant comprend un mélange d'argon et d'hydrogène. Chacun des deux procédés exposés ci-dessus présente des avantages et des inconvénients. Les principaux avantages du procédé en tube scellé sont : la facilité d'obtention d'une bonne pureté à 11 intérieur de l'enceinte,la faible consommation d'impureté, le fait que cette impureté se présente sous forme simple (gallium métallique dans l'exemple considéré), et aussi l'assurance d'une bonne homo généité de résultat de dopage sur les diverses tranches de semi-conducteurs disposées dans le tube. Un inconvénient important du procédé en tube scellé réside dans la consommation importante de tubes en quartz étant donné qu'il faut sceller un tube puis le casser pour récupérer les tranches dopées et utiliser un nouveau tube pour une opération ultérieure.Un autre inconvénient du procédé en tube scelle réside dans la nécessité d'utiliser à l'intérieur du four deux tubes en quartz l'un à l'intérieur de l'autre. I1 en résulte que, pour un four donné, le diamètre intérieur disponible est plus faible dans le cas du procédé en tube scellé que dans le cas du procédé en tube ouvert. Cet inconvénient devient un inconvénient important étant donné d'une part le coût des fours, d'autre part la tendance actuelle à l'augmentation des dimensions des tranches de silicium utilisées dans la fabrication de dispositifs à semiconducteur. En outre, un autre inconvénient du procédé en tube scellé est que sa mise en oeuvre entre les étapes initiales et finales est plus longue que dans le cas du procédé en tube ouvert. Les inconvénients du procédé en tube ouvert, outre ceux qui résultent de la comparaison précédente des procédés en tube scellé et en tube ouvertrrésidentnotamment dans la complexité des circulations gazeuses à assurer et dans la consommation en gaz cher. En conséquence, un objet principal de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé et un nouveau dispositif de diffusion qui allient les avantages des procédés en tube scellé et en tube ouvert sans en présenter les inconvénients. Ainsi, la présente invention prévoit un dispositif de diffusion de dopant dans des tranches de matière semi-conductrice comprenant un tube de quartz ou silice fondue disposé dans un four et débordant du four à ses deux extrémités contenant dans une zone chaude de température homogène, une source de dopant et les tranches à traiter ; des moyens pour introduire à l'une des extrémités du tube un gaz neutre en surpression ; des moyens pour ouvrir et fermer une extrémité du tube, l'ouverture ayant sensiblement le même diamètre que le tube ; et des moyens pour limiter la dispersion du dopant en phase gazeuse en dehors de la zone chaude de température homogène. Comme moyens pour limiter la dispersion du dopant en phase gazeuse, la présente invention envisage notamment, comme cela sera exposé plus en détail ci-après, des barrières en matière perméable, des barrières thermiques, ainsi qu'une limitation du libre parcours moyen des particules dopantes par la-présence d'une surpression. Ces trois moyens peuvent être utilisés, deux à deux, ou ensemble. Le procédé de dopage utilisant le dispositif selon l'invention, apparaîtra clairement à l'homme de l'art, il faut souligner que les étapes nouvelles par rapport à l'art antérieur consistent essentiellement à ouvrir le tube pour introduire la source dopante et les tranches à doper puis à le refermer pour effectuer les opérations de diffusion. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers de l'invention faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - les figures 1 et 2 illustrent les procedés de diffusion en tube scellé et en tube ouvert de l'art anterieur, respectivement; et - la figure 3 illustre schématiquement le dispositif et le procédé de dopage par diffusion selon la présente invention. En figure 3, un tube de verre spécial, de silice fondue ou de quartz est disposé dans un four 2. Ce tube déborde du four à son extrémité 21 et se termine par un rodage 22, d'ou il résulte que l'extrémité du tube peut être ouverte sur tout son diamètre ou fermée par une portion de tube portant un rodage complémentaire 23.Lors de l'introduction de la source dopante 5, qui est du même type que dans le cas du procédé en tube scellé et des tranches semi-conductrices 4,des bouchons 24 et 25 sont également introduits dans le tube.Ces bouchons sont sensiblement disposés à la limite de la zone chaude homogène du four et sont en une matière perméable aux gaz, telle que de la laine de quartz,pour permettre d'effectuer le vide et d'introduire un gaz porteur tel que de l'argon dans la zone chaude tout en limitant la dispersion des particules dopantes en phase vapeur lorsque le four a atteint sa température chaude.On limite ainsi,la possibilité pour les produits dopants contenus dans la source dopante 5 d'aller se déposer sur les parois frondes du tube à l'extérieur du four et plus particulièrement à l'ex térieur de la zone. chaude homogène centrale.En outre,le four est muni de moyens pour assurer une température plus élevée que dans la partie centrale sensiblement au niveau des bouchons 24 et 25.Une barrière thermique est ainsi constituée pour éviter également la dispersion du dopant en phase gazeuse vers les parois froides du tube. Dans le but également de limiter cette dispersion, une surpression de gaz porteur, tel que de l'argon, est produite dans le tube. Ainsi, le libre parcours moyen des substances dopantes en phase gazeuse est limité, ce qui renforce l'action des barrières mécaniques 24 et 25 ainsi que l'action de la barrière thermique Bien entendu, ces trois moyens qui ont été décrits ci-dessus en combinaison peuvent être utilisés séparément ou deux à deux. La figure représente également, connectés au tube 21 par l'intermédiaire du rodage 22, 23 un piege à azote 26 et un détecteur de pression 27 à colonne liquide (par exemple du mercure). Une entrée 28 est également prévue pour assurer une connexion vers une pompe à vide, et diverses sources de gaz telles que, par exemple, de l'argon sous pression. La figure représente également à l'extrémité gauche 29 du tube une entrée pouvant servir à l'introduction d'argon sous pression. Divers modes d'utilisation du dispositif selon la présente invention peuvent être prévus. Tout d'abord l'extrémité gauche 29 du tube peut être fermée, déborder très peu de l'extérieur du four et être calorifugée pour éviter sensiblement l'existence de parois froides due ce côté du tube. I1 est alors nécessaire de prévoir une entrée d'argon sous pression par l'entrée 28 citée précédemment. D'autre part, l'entrée 28 peut être supprimée et l'entrée d'argon se faire uniquement par l'ouverture 29 ainsi que les divers pompages. On peut également prevoir d'introduire simultanément de l'argon aux deux entrées 28 et 29, des fuites calibrées étant prévues au niveau des deux zones du tube externes au four de façon à assurer un confinement du dopant dans la région centrale. I1 est également possible de prévoir des raccordements par joints toriques sur tout le diamètre du tube 20 aux deux extrémités du tube. On notera que , même en l'absence de fuites ca librées, l'existence d'argon sous pression permet de compenser les fuites éventuelles au niveau des joints, outre le rôle de limitation du libre parcours moyen des particules gazeuses comme cela a été exposé précédemment. Ainsi,le procédé de dopage utilisant le dispositif selon la présente invention se rapproche beaucoup du procédé en tube scellé en ce que l'on utilisera sensiblement les mêmes sources dopantes et que l'on obtiendra les mêmes avantages de haute pureté et d'homogénéité. Néanmoins, les inconvénients de ce procédé, à savoir notamment la lenteur, la consommation de tubes de quartz, et la limitation qu'il apporte aux diamètres des substrats que l'on peut traiter sont éliminés comme dans le cas du procédé en tube ouvert. Ces avantages sont obtenus grâce aux moyens de limitation de dispersion des particules dopantes en phase gazeuse en dehors de la zone chaude du tube prévus selon la présente invention. La présente invention a ainsi vaincu le préjugé de l'art antérieur selon lequel il était impossible d'utiliser un tube débordant par rapport à un tube de diffusion sans utiliser de circulation gazeuse tout en gardant les impératifs de très haute pureté exigés dans la fabrication des semi-conducteurs. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIOlE 1 - Appareil de diffusion de dopant dans des tranches de matière semi-conductrices comprenant un tube disposé dans un four et débordant de ce four à ses deux extrémités, contenant dans une zone chaude de température homogène une source de dopant et des tranches à traiter, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des moyens pour introduire à l'une au moins des extrémités du tube un gaz neutre en surpression - des moyens pour ouvrir et fermer l'une au moins des extrémités du tube, l'ouverture ayant sensiblement le même diamètre que letube ; et - des moyens pour limiter la dispersion du dopant en phase gazeuse en dehors de la zone chaude de teinpérature homogène. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des extrémités du tube est fermée et calorifugée. 3 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend à l'une de ses extrémités un moyen de mesure de pression. 4 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens pour limiter la dispersion comprennent des barrières en une matière perméable aux gaz. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite matière perméable au gaz est constituée de laine de quartz. 6 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens pour limiter la dispersion comprennent des barrières thermiques. 7 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens pour ouvrir et fermer une extrémité du tube comprennent des rodages complémentaires. 8 - Appareil selon la revendication 1 ou l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend à ses deux extrémités une source d'argon sous pression. 9 - Procédé de dopage par diffusion de tranches semi-conductrices utilisant l'appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend les etapes suivantes - ouvrir une extrémité du tube - introduire dans le tube une source dopante et les tranches semi-conductrices à traiter - fermer le tube - faire le vide - introduire un gaz neutre sous pression tel que de l'argon ; - chauffer le four à une température propre à effectuer la diffusion - ouvrir une extrémité du tube et sortir les tranches dopées par diffusion, 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérise en ce que les sources dopantes utilisées sont les sources connues dans le procédé de diffusion en tube scellé.