Brevet FR2461359A1 — publié le 19810130

L'invention, due aux travaux de Monsieur Pierre VIKTOROVITCH de l'Ecole Nationale Supérieure d'Electronique et de Radioélectricité de Grenoble, et de Messieurs André CHENEVAS-PAULE et Vincent LE GOASCOZ du Commissariat à l'Energie Atomique, concerne un procédé de traitement de dispositifs à semiconducteur présentant des défauts de surface utilisant l'action de l'hydrogène atomique H0 obtenu par création d'un plasma d'hydrogène, ainsi qu'un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. Généralement, un dispositif à semiconducteur est constitué par un matériau de base semiconducteur, par exem- ple, du silicium monocristallin, dans lequel sont réalisées des diodes P+ N ou N+P, l'ensemble étant, dans le cas des dispositifs à structure MIS (métal, isolant, semiconducteur), recouvert par un isolant de grille. Le traitement thermique et la diffusion dans le silicium nécessaires à la réalisa- tion des diodes entraînent l'apparition de défauts structu- raux tels que des dislocations ou des défauts ponctuels ou de surface dans le semiconducteur. De même, la réalisation d'un isolant de grille entraîne l'apparition de défauts à l'interface entre le semiconducteur et cet isolant ainsi qu'à l'intérieur de la couche isolante. L'ensemble de ces défauts introduit dans le dispositif à semiconducteur autant de niveaux localisés dans la bande interdite de celui-ci. Il en résulte notamment l'existence de transports parasites par sauts et des baisses importantes de la durée de vie des porteurs dans le semiconducteur. Afin de faire disparaître les défauts de volume, et notamment les défauts existant au niveau des jonctions des diodes P+N ou N+P, on a déjà proposé (voir Appl. Phys. Lett. 32 (7), du 1er Avril 1978, pages 439 à 441, l'article de Messieurs J.I. PANKOVE, M.A. LAMPERT et M.L. TARNG, in- titulé "Hydrogenation and dehydrogenation of amorphous and crystalline silicon"), d'hydrogéner les dispositifs à semi- conducteur, par exemple en faisant réagir chimiquement D 6655-3 GP 2 2Z461359 de l'hydrogène atomique Ho avec les défauts du dispositif à semiconducteur. L'hydrogène atomique H2 peut en effet se lier chimiquement avec ces défauts en créant des liaisons covalen- tes E Si - H, par exemple salon les deux réactions chimiques suivantes: H + - Si + -- Si H (1] 2H + E SiU Si E + 2 E Si f H (2) Les niveaux liants et antiliants des liaisons co- valentes =Si - H ainsi obtenues se trouvent en effet respec- tivement dans la bande de valence et dans la bande de conduc- tion, de sorte que les défauts localisés correspondants sont alors anihilés. En raison du très faible diamètre des atomes O d'hydrogène monoatomique (v 0,5 A]), ceux-ci peuvent pénétrer dans le réseau du dispositif à semiconducteur jusqu'à une certaine profondeur, par opposition à l'hydrogène moléculaire qui à de la peine à diffuser, de sorte que la suppression des défauts par un tel procédé n'est pas limitée aux défauts de surface, mais s'applique également aux défauts de volume, et notamment aux défauts situés au niveau des jonctions des diodes des dispositifs à semiconducteurs. Afin de mettre en oeuvre efficacement un tel pro- cédé, et en raison du caractère très instable et réactif de l'hydrogène atomique H , il faut que l'hydrogène atomique soit créé très près des défauts que l'on souhaite anihiler. Pour cette raison, il est nécessaire de créer un plasma d'hydrogène dans lequel se forment continuellement des électrons e, des + atomes H et des ions H-. A cet effet, on a utilisé jusqu'à présent des systèmes du type self. Dans leur principe, de tels systèmes sont constitués par une enceinte à vide autour de laquelle est enroulé un bobinage ou une antenne radiofréquence RF permettant d'exciter l'hydrogène contenu dans l'enceinte afin de créer un plasma d'hydrogène sous décharge électrolu- minescente. Un tel système permet bien d'anihiler les défauts d'un dispositif à semiconducteur placé dans l'enceinte. notam- ment au niveau des jonctions des diodes. Cependant. en raison + de la géométrie du système du type self, les ions H tournent dans le champ magnétique induit par le bobinage ou par l'an- + tenne radiofréquence RF. Ce mouvement des ions H est défa- vorable au but poursuivi, car il en résulte que les ions H peuvent atteindre et bombarder la surface du dispositif à semiconducteur dont ils peuvent endommager le réseau sur des profondeurs relativement importantes pouvant aller par Q exemple jusqu'à 100 A et plus. L'analyse des courbes appa- raissant à la figure 1 de l'article de J.I. PANKOVE, M.A. LAMPERT et M.L. TARNG,mentionné précédemment confirme ces deux effets des systèmes du type self. Ainsi, ces courbes montrent une augmentation du courant à faible tension ré- sultant du régime ohmique dO au bombardement de surface, et une amélioration de la conduction de volume à forte tension. L'utilisation des dispositifs du type self connus conduit donc, simultanément à la suppression des défauts au niveau des jonctions des diodes par réaction chimique de l'hydrogène atomique avec ces déefautset àla création de nouveaux défauts dus au bombardement du dispositif à semi- + conducteur par les ions H qui se trouvent dans le plasma d'hydrogène avec l'hydrogène atomique Ho. La présente invention a pour objet un procédé de traitement de dispositifs à semiconducteur permettant de faire disparaître par hydrogénation les défauts de volume, et d'interface, par exemple au niveau des jonctions des diodes contenues dans ces dispositifs, ou au niveau des interfaces isolant-silicium, tout en évitant la création de défauts dus au bombardement du dispositif à semiconducteur + par les ions H contenus dans le plasma. Dans ce but, il est proposé un procédé de trai- tement de dispositifs à semiconducteur, du type suivant lequel on crée un plasma d'hydrogène au voisinage desdits dispositifs, caractérisé en ce qu'on applique des moyens aptes à éloigner desdits dispositif les particules polari- sées positivement. 4 2461359 Un procédé particulier selon l'invention consis- te à créer le plasma d'hydrogène au moyen d'un système ca- pacitif présentant deux électrodes planes et parallèles polarisées de façon à constituer une anode et une cathode, et à disposer le dispositif à semiconducteur entre les électrodes, au niveau de l'anode. Grâce à un procédé de ce type, les ions H contenus dans le plasma sont accélérés vers la cathode. c'est-à-dire à l'opposé du dispositif à semiconducteur disposé au niveau de l'anode, de telle sorte que les ions H ne bombardent pas le dispositif comme dans les procédés antérieurs utilisant un système à self. Au contraire, les électrons e sont di- rigés vers le dispositif à semiconducteur, mais leur action sur ce dernier est négligeable. L'invention peut d'ailleurs être perfectionnée par l'utilisation de moyens aptes à éloigner les électrons du semiconducteur. Conformément à une caractéristique préférée de l'invention,, on chauffe le dispositif à semiconducteur à une température comprise entre 250C et 500'C pendant la création du plasma, afin de favoriser la réaction de l'hydrogène monoatomique H[ avec les défauts. Conformément à une caractéristique secondaire de l'invention, le système capacitif est placé sous un vide compris entre 10 torr et 102 torr. De préférence, la valeur de la pression est alors déterminée par la valeur du débit d'hydrogène pendant la création du plasma. Selon une première variante de l'invention, les électrodes sont soumises à une tension continue voisine de 2 KV. Selon une seconde variante, les électrodes sont soumises à une tension alternative comprise entre 1,2 et 1,6 KV crête à crête et dont la fréquence est voisine de 13 MHz. L'invention concerne également un appareil pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte fermée dans laquelle sont disposées deux électrodes planes et parallèles polarisées de façon à constituer une anode et une cathode, et des moyens de chauf- fage disposés à proximité de l'anode. Dans un autre procédé particulier selon l'inven- tion, on crée un plasma à un endroit de l'enceinte et on traite l'échantillon à un autre endroit, en dehors du plas- ma; ceci est possible grâce à la diffusion de l'hydrogène atomique H0 dans toute l'enceinte. On décrira maintenant, à titre d'exemple non li- mitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention en se référant au dessin annexé dans lequel la figure unique représente de façon schématique un appareil pour le traite- ment par hydrogénation de dispositifs à semiconducteurs présentant des défauts tels que des dislocations. L'appareil représenté sur la figure comprend une enceinte étanche 10 reliée à. un système de pompage (non représenté) par un ou plusieurs conduits 12. L'enceinte 10 contient deux électrodes 14 et 16 polarisées de façon ap- propriée afin de constituer respectivement une cathode et une anode. Conformément à l'invention, les électrodes 14 et 16 sont planes et parallèles de façon à définir un système capacitif. A titre d'exemple. le diamètre des électrodes 14 et 16 peut être d'environ 100mm. Afin de favoriser la réaction chimique de l'hydro- gène atomique avec les défauts du dispositif à semiconduc- teur à traiter, un dispositif de chauffage 18 tel qu'un four est disposé à proximité de l'anode 16 sur laquelle est fixé le dispositif à semiconducteur 20, entre les électrodes 14 et 16. L'appareil de traitement qui vient d'être décrit en se référant à la figure unique fonctionne de la façon suivante. 6 2461359 Initialement, on établit à l'intérieur de l'en- -7 ceinte I1 un vide d'environ 1Q torr. L'hydrogène introduit dans l'enceinte 1Q ramène la pression entre 10 et 10-2 torr et il est alors décomposé en appliquant une tension appropriée entre les électrodes 14 et 16. Selon une première variante, la tension ainsi appliquée est une tension continue, de préférence voisine de 2 KV. Selon une deuxième variante, la tension établie entre les électrodes 14 et 16 est une ten- sion alternative haute fréquence dont la valeur est comprise 1 entre 1,2 et 1,6 KV crête à crCte et dont la fréquence, située dans le domaine des radiofréquences RF, est voisine de 13 MHz (par exemple, 13,56 Mhz]. Sous l'effet de la tension appliquée entre les électrodes 14 et 16, l'hydrogène contenu dans l'enceinte 10 est excité sous décharge électroluminescente et se trans- forme en un plasma luminescent 22, à l'exception d'une zone sombre 24, dite zone de Crookes, qui se crée près de la cathode 14. Le plasma 22 contient de l'hydrogène monoatomi- que H neutre, des ions H et des électrons e. La pression régnant dans l'enceinte 10 est réglée en fonction du débit d'hydrogène pour atteindre par exemple une valeur de 2 x -1 -2 torr en l'absence de décharge et de 5 x 1Q torr-en présence de décharge. La constitution du plasma 22 est la mrme quelle que soit la nature de la tension appliquée aux électrodes 14 et 16, bien que les électrons e suivent la haute fréquence lorsque cette tension est une tension alternative. Dans tous + les cas, les ions H sont donc accélérés vers la cathode 14 et les électrons e vers le dispositif à semiconducteur 20 comme l'illustre la figure. Au contraire, l'hydrogène mono- atomique H neutre est insensible au champ électrique. Dans tout le volume du plasma 22, et donc tout près du dispositif à semiconducteur 20, des atomes d'hydrogène H0 sont sans cesse créés et anihilés selon les deux réactions suivantes: + -e Ho (3) E-I0 + H0 2> h24) En raison de leur faible diamètre, les atomes d'hydrogène H0 ainsi créés peuvent pénétrer dans le réseau de semiconducteur 20 et réagir avec différents défauts de ce dernier selon les réactions (1) et (2) déjà mentionnées. Les défauts localisés correspondants sont ainsi anihilés. Pour faciliter cette opération, simultanément à la création du plasma, il est nécessaire de chauffer le dispositif à semiconducteur 20 au moyen du four 18 jusqu'a une température choisie en fonction de la nature du semi- conducteur traité, cette température étant généralement située entre 250C et 500'C. Grâce à la forme et à la disposition relatives des électrodes 14 et 16 et grâce à la disposition du dispositif à semiconducteurs 20 au niveau de l'anode 16, les ions H créés dans le plasma sont accélérés vers la cathode 14 en éloignement du dispositif 20 et ne bombardent pas ce dis- positif. Il en résulte que les protons créés dans le plasma d'hydrogène ne créent pas de défauts dans le-dispositif 20. Bien que les électrons créés dans le plasma bombardent le dispositif à semiconducteur 20, l'effet de ce bombardement peut être considéré comme négligeable en raison de leur masse très réduite. On peut d'ailleurs envisager de le diminuer, ou de le supprimer en appliquant des moyens aptes à éloigner les électrons du dispositif 20, notamment un champ magné- tique. Il va de soi que le procédé de traitement et l'appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé qui viennent d'être décrits, peuvent être utilisés pour traiter des dispositifs à semiconducteurs de différents types, pourvu que ces dispositifs présentent des liaisons pendantes en surface et des défauts en volume, permettant à l'hydrogène monoatomique créé dans le plasma de réagir avec les défauts correspondants. qua.Auoo (ewsejd np aBeu.sEOA ne apoJpoaIia4aBu. aoedsa,t ap sioqap ua sj_ sods-.p sap uo.4Tsodstp d no euwseld ne 4.-odde..led s_-r.sods-p sap uo04ss.Ielod Jed uuawweI.ou) sTlnpo.d H suoT sal ja;es-; s J-T.Sodsip np -au.Tolap la auanojpÀqp euwsed un Jaajo ap 4ue4awiad I.aiedde :no: f:..T;Toedeo,:tp adA: ap Ilasedde un,p aBAnao ua asTw PS ú9 aa tTil sd;sau uotluaAuF,l 'SlnaBIge jed 6SúL9tZ 9 2461359 REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de dispositifs à semi- conducteur, du type suivant lequel on crée un plasma d'hydrogène au voisinage desdits dispositifs, caractérisé en ce qu'on applique des moyens aptes à éloigner desdits dispositifs les particules du plasma polarisées positive- ment. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à créer un plasma d'hydrogène au moyen d'un système capacitif présentant deux électrodes planes et parallèles polarisées de façon à constituer une anode et une cathode, et à disposer le dispositif semiconducteur entre les électrodes, au niveau de l'anode. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on chauffe le dispositif à semiconducteur à une température comprise entre 25'C et 500C pendant la création du plasma. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le système est placé sous un vide compris entre 10 torr et 10 torr. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur de la pression est déterminée par la valeur du débit d'hydrogène pendant la création du plasma. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 5, caractérisé en ce que les électrodes sont soumises à une tension continue voisine de 2KV. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 5, caractérisé en ce que les électrodes sont soumises à une tension alternative comprise entre 1,2 et 1,6 KV crête à crête et dont la fréquence est voisine de 13 Mhz. 8. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte fermée dans laquelle sont disposées deux électrodes planes et parallèles a2461359 polarisées de faqon à constituer une anode et une cathode, et des moyens de chauffage disposés à proximité de l'anode.