Brevet FR2489374A1 — publié le 19820305

Structures et matériaux semiconducteurs haute tension et procédé pour les préparer. En ce qui concerne le procédé dont elle est l'objet, la présente invention appartient au domaine de la purification de zone et du traitement des matériaux semiconducteurs. En ce qui concerne la partie "dispositif", la présente invention est du domaine des dispositifs à semiconducteurs. La purification de zone de boules de matériau semiconducteur afin de transformer un matériau polycristallin en monocristal, est bien connue de l'homme de l'art. La purification de zone de boules de matériau semiconducteur en vue d'une répartition uniforme du matériau dopant dans toute la boule, est également bien connue. Dans ces deux procédés, la boule est fondue sur tout son diamètre. On a fabriqué des dispositifs à semiconducteurs dans lesquels une région au moins est enfermée dans une gaine. Cette gaine est formée, cependant, par diffusion, ce qui limite son épaisseur à environ 250 microns et elle présentera une résistivité relativement faible par rapport à la ré- gion entourée. L'objet de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication de structures et de matériaux haute tension. La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à un procédé de fabrication de matériau semiconducteur, comprenant les stades suivants: fusion d'une partie d'une boule de matériau semiconducteur pour modifier la densité des atomes dopants, cette fusion étant limitée à une région qui est contiguë à la surface de la boule et dont la profondeur est inférieure à la moitié du diamètre de la boule; et modification de la den- sité des atomes dopants dans la région fondue. La présente invention a aussi pour objet un procédé de traite- ment de matériau semiconducteur et un dispositif à semiconducteur constitué de ce matériau semiconducteur traité, ce procédé comprenant les stades sui- vants: placement d'une boule monocristalline de silicium, contenant un ma- tériau dopant qui donne à la boule une conductivité du premier type, avec une densité "NDl" et un diamètre "D", dans la chambre à vide d'un appareil à zone flottante; établissement de conditions d'ambiance désirées dans cette chambre; et déplacement d'une bobine radiofréquence sur une longueur prédéterminée de la boule et à une vitesse prédéterminée, cette bobine radiofréquence étant alimentée à un niveau prédéterminé de sorte qu'un anneau de matériau en fusion se forme dans la boule en avant de la bobine mobile et se resolidifie derrière la bobine, cet anneau de matériau en fu- 2. Sion ayant une profondeur 'd" et une longueur "1"; le diamètre "D" de la boule est supérieur à la profondeur "d" de l'anneau dematériau en fusion et ce dernier anneau est maintenu en n'importe quel point de la longueur de la boule pendant un temps suffisant pour provoquer la diffusion d'une partie du matériau dopant, présent dans l'anneau en fusion, vers la sur- face de ce dernier et son évaporation dans le milieu ambiant, à la suite de quoi la partie resolidifiée de la boule présente une densité des atomes dopants qui est différente de celle de la partie non fondue dela boule. On obtient un dispositif à semiconducteur comprenant au moins deux régions de conductivité de type opposé, avec entre elles une jonction p-n, l'une de ces deux régions se composant d'au moins deux sous-régions dont l'une forme une gaine autour de l'autre, cette gaine présentant une densité des atomes dopants qui est différente de celle de l'autre sous- région. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la des- cription suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans les- quels: - la figure 1 est une vue de côté d'une boule de silicium pla- cée dans un purificateur de zone et soumise à un traitement suivant la pré- sente invention; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la boule de silicium représentée à la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective d'un tronçon de la boule de la figure 1, après qu'elle a été traitée suivant la présente invention; - la figure 4 est un diagramme représentant les densités des ato- mes dopants dans une boule traitée avec trois réglages différents de radio- fréquence suivant la présente invention, - les figures 5a et 5b représentent, sous forme graphique, un profil de densité des atomes dopants et une vue en section droite d'une boule traitée suivant la présente invention; - les figures 6a, 6b et 6c sont des vues schématiques de boules traitées suivant la présente invention, - la figure 7a représente, sous forme graphique, un profil de densité des atomes dopants d'une boule traitée suivant la présente inven- tion; - la figure 7b est une vue en section droite de la boule dont le profil de densité des atomes dopants est représenté à la figure 7a; - les figures 8 et 9 sont des vues de côté de dispositifs à semiconducteurs préparés suivant la présente invention; - la figure 10 représente, sous forme graphique,la caractéristi- que courant-tension du dispositif de la figure 9; et - les figures 11 à 16 sont des vues de côté de dispositifs à semiconducteurs préparés suivant la présente invention. On se reportera maintenant à la figure 1. Une boule 10 de sili- cium monocristallin, ayant un diamètre "'Dc'' et une densité "NDî" d'impureté dopante volatile, telle que le phosphore par exemple, est placée dans la chambre à vide 12 d'un appareil à zone flottante (non représenté dans son ensemble) équipé d'une bobine radiofréquence 14 dont le diamètre intérieur "Dol' est supérieur au diamètre "Dc" de la boule 10. La boule 10 a pu être préparée par n'importe lequel des procédés connus tels que, par exemple, par le procédé à zone flottante ou le procédé de Czochralski. L'axe vertical de la boule 10 est aligné de manière à coïncider avec l'axe vertical de la bobine radiofréquence 14. - La boule 10 de silicium est amenée au voisinage immédiat de la bobine radiofréquence avec, par exemple, un espace de 1 cm entre elles, et l'énergie radiofréquence est transmise à la boule 10 de silicium à l'aide d'un suscepteur de graphite propre ou d'un anneau de tantale entourant la boule 10 mais sans la toucher physiquement. Après que la boule est couplée au champ radiofréquence, un vide d'au moins 10-5 Torrs est établi dans la chambre à vide 12 de l'appareil à zone flottante et la bobine radiofréquence 14 est déplacée à la vitesse "f" le long de la boule 10. La tension de la bobine radiofréquence est réglée de manière à former dans la boule 10 un anneau de silicium en fusion d'une profondeur effective "d" et d'une longueur effective "1". Lorsque la bobine radiofréquence 14 se déplace le long de la boule 10 d'une distance As x, le silicium solide de la boule 10, d'une den- sité d'atomes dopants égale à "ND ", fond immédiatement en avant de la bobi- ne radiofréquence 14, tandis que le silicium liquide ou en fusion se reso- lidifie derrière la bobine radiofréquence 14,sous la forme d'un monocristal dont la densité "ND2" d'atomes dopants de phosphore est inférieure à la den- sité originale "ND," d'atomes dopants, c'est-à-dire que ND2 _ NDl. Les processus de fusion, de resolidification et d'évaporation sont illustrés schématiquement à la figure 2. La densité d'atomes dopants "ND2" du solide resolidifié est déter- minée, premièrement, par le flux d'évaporation d'atomes dopants, Févapi qui quittent la zone liquide 16 et, deuxièmement, par la ségrégation d'atomes dopants entre les phases liquide et solide. Du fait que le phosphore dans le silicium liquide présente une grande volatilité et puisque la constante de diffusion dans le liquide est beaucoup plus élevée que dans le solide, les atomes de phosphore qui se trouvent dans la zone de fusion 16 diffusent vers l'interface fusion-vide 17 o se produit l'évaporation. La zone de fusion 16 s'épuise donc en ato- mes d'impureté phosphore dans une certaine mesure déterminée par la vitesse de passage "f" de la bobine qui représente le temps pendant lequel la zone liquide est maintenue à l'état de fusion. Le silicium recristallisé avec une densité d'atomes dopants de phosphore "ND2" I ''ND Il, qui résulte de ce procédé, forme une gaine monocristalline à haute résistivité qui, partant de la surface extérieure de la boule 10, pénètre dans cette dernière sur une distance prédéterminée "di". La distance "d" peut être essentiellement n'importe quelle dis- tance désirée. En tout cas, elle sera supérieure à 250 microns, ce qui re- présenterait la limite pratique si la gaine était formée par diffusion, et elle sera normalement d'au moins 2 030 microns. La figure 3 est une vue en coupe de la boule 10 de silicium trai- tée suivant la présente invention. La boule 10 de silicium présente une partie intérieure 18 dopée à la densité originale '"N Dl" et une partie extérieure ou gaine 20 dopée à la densité réduite "ND2"Il Plus précisément, une boule monocristalline 4111V de silicium, d'un diamètre uniforme de 2,5 cm et ayant une résistivité de type n de 40 à 60.f*'.cm depuis le germe jusqu'à la pointe, a été placée à l'intérieur d'une bobine radiofréquence. Cette dernière avait un diamètre de 2,7 cm. La bobine et la boule ont été placées dans la chambre d'un purificateur Westech modèle 145 à zone flottante et à vide poussé. Les régions superficielles du cristal ont été fondues suivant le procédé décrit ci-dessus dans lequel la vitesse "f" de passage de la bobine était égale à 1 mm/min, la vitesse de rotation du cristal était de tr/min, et le vide de 5.10-6 Torrs. Comme le représente la figure 4, les régions superficielles fon- dues correspondant à trois réglages différents de la tension radiofréquence, c'est-à-dire 2,5 kV, 2,3 kV et 2,7 kY, sont séparées par des régions non fondues du cristal original présentant une densité des atomes dopants de phosphore de l'ordre de 8 à 12.1013 atomes/cm3 et une résistivité de 60 à fL.cm. Après la recristallisation, les régions superficielles fondues présentaient des résistivités voisines de 200flL. cm, ce qui correspond à une densité réduite des atomes dopants de phosphore de 2.1013 atomes/cm3 Les figures 5a et 5b représentent des mesures à deux sondes effectuées sur la boule ou cristal traité comme on l'a décrit précédem- ment. La figure 5b représente une vue en coupe de la boule, la gaine uniforme 20 étant formée suivant la présente invention. La gaine a une épaisseur uniforme de 3,05 mm et représente une variation brutale de la résistivité. En se reportant de nouveau à la figure 5a, on verra que cette figure représente les lectures résultant des mesures à deux sondes. On peut observer que la partie intérieure 18 de la boule présente une résistivité de 50.IL.cm. Les lectures obtenues par les mesures à deux sondes ont été re- levées à intervalles de 1 micron sur les 25 cm de diamètrede la boule. Le processus de formation de la gaine par fusion et resolidifi- cation, décrit ci-dessus, peut être étendu à la formation de deux ou plu- sieurs parties formant gaine autour d'une partie intérieure. On se reportera maintenant aux figures 6a à 6c qui représentent schématiquement les stades de fabrication d'une structure à deux gaines ou deux couches. La figure 6a représente une boule originale monocristalline 110 de silicium, ayant un diamètre de 6 cm et disposée à l'intérieur d'une bo- bine radiofréquence 114. Bien que le reste du purificateur à zone flottante et à vide poussé ne soit pas représenté, on doit bien se rendre compte que la boule et la bobine radiofréquence sont placées à l'intérieur d'un tel purificateur. La boule 110 présente une conductivité de type n et sa résis- tivité est de 100L.cm. Conformément à la procédure décrite ci-dessus, la boule 110 est fondue superficiellement dans le vide sur une épaisseur "dl", de manière à former une gaine 120 à haute résistivité de 500fL.cm et de conductivité de type n. La boule 110 comporte maintenant une partie extérieure 120 for- mant gaine autour d'une partie intérieure 118. Comme le représente la figure 6c, la partie extérieure de la gaine 120 à haute résistivité est ensuite fondue superficiellement pour la deuxième fois sur une profondeur "d2", inférieure à "d1', dans un milieu gazeux dopant de type p. par exemple un milieu gazeux de bore, afin de produire une gaine ou couche 122 à faible résistivité et de conductivité de type p. Les figures 7a et 7b représentent respectivement le profil de densité des atomes dopants et une vue en section droite avec la variation des résistivités de la structure à deux gaines de la figure 6c. La partie intérieure 118 présente la résistivité originale de 100.Jt.cm et une conductivité de type n, la gaine 120 a une résistivité de 500 ri.. cm et une conductivité de type n,etla gaine 122 est dotée d'une conductivité de type p et d'une densité des atomes dopants de 1020 atomes/ cm La fabrication d'une pastille de silicium pour un dispositif à semiconducteur de type planar avec une tension de rupture améliorée, cons- titue l'une des applications du procédé décrit ci-dessus. Il est bien con- nu que la tension de rupture d'un dispositif à semiconducteur à jonction planar est inférieure à celle d'un dispositif à semiconducteur à jonction mesa. Une tension de rupture faible dans un dispositif à semiconduc- teur est provoquée par la variation du potentiel superficiel ou par le resserrement de champs électriques à lacourbure d'une jonction p-n. L'uti- lisation d'une pastille ou d'un corps de matériau semiconducteur, par exemple le silicium, préparé suivant la présente invention, permet d'élimi- ner ces causes de tension de rupture faible. La figure 8 représente une diode 30 préparée dans un corps de silicium obtenu suivant la présente invention. La diode 30 se compose d'une région 32 de type p et d'une région 34 de type n. Une jonction p-n 36 se trouve entre les régions 32 et 34. La diode 30a été formée par diffusion d'un dopant de type p dans une partie sélectionnée du corps de silicium préparé suivant la présente invention. Une couche 38 de SiO2 par exemple, a été utilisée comme mas- que pendant la diffusion. La région 32 de type p, formée par ce procédé de 8 21 3 diffusion, a été dopée à une densité de 108 à 5.îo21 atomes/cm La région 34 de type n se compose en réalité de deux régions ou parties désignées respectivement comme étant les régions ou parties 1 et 2. La région ou partie 1, qui est la région ou partie centrale ou intérieure, est dopée à une densité "NDI", c'est-à-dire la densité origina- le de dopage du corps de silicium de départ. La région ou partie 2, qui forme la gaine ou partie extérieure, présente une densité de dopage "ND2" inférieure à la densité de dopage NDI". Les lignes 40 en traits interrom- pus indiquent les limites entre les régions ou parties 1 et 2. Puisque ND2" L. ND1R, la pénétration de la zone d'épuisement sera plus profonde dans la partie 2 que dans la partie 1. La pénétration plus profonde de la zone d'épuisement diminue l'effet de resserrement de champs au point (A) et la densité moindre d'atomes dopants dans la partie 2 réduit également au minimum le risque d'une rupture de surface. Par conséquent, en réglant la différence entre NDl1" et "ND2", on peut ne faire dépendre la tension de rupture de la jonction planar que de la densité d'atomes dopants "ND D. En plus des dispositifs à jonction planar, comme le représente la figure 8, on peut utiliser les mêmes techniques pour préparer des diodes de Zener et des dispositifs à barrière de Schottky. Des diodes ou redresseurs planars fabriqués avec un cristal re- cristallisé localement suivant la présente invention, ont présenté des tensions de rupture s'élevant jusqu'à 1 100 V. C'est la première fois qu'une jonction planar a présenté une tension de rupture proche de la tension théo- rique de rupture par avalanche correspondant à la résistivité du silicium du corps, sans qu'une plaque de champ ou un anneau limiteur de champ soit uti- lisé pour régler le champ électrique à la surface. La figure 9 est une vue schématique d'une telle diode planar. La pastille originale a été découpée dans une boulede type n, de 19,8 mm de diamètre et présentant une résistivité de 40iX.cm (correspondant à une den- sité d'atomes dopants de 1,05.1014 atomes/cm 3) dans la région centrale ou région intérieure 1 et un anneau recristallisé de type n ou région formant gaine (région 2), d'environ 2,03 mm de largeur et présentant une résistivi- té de 500 CLkcm (correspondant à une densité d'atomes dopants de 8,5.1012 atomes/cm3). Une diffusion sélective de bore a été effectuée pour former une jonction planar 36 pan. La jonction planar 36 a un diamètre de 17,78 mm et cette jonction 36 coupe au point 37 la région recristallisée à haute résistivité qui forme la gaine. Une jonction 39 n +n diffusée au phosphore a complété ensuite le procédé de fabrication. La densité des atomes dopants en surface et la profondeur de la jonction des couches p+ et n+,et l'épais- seur totale de la pastille étaient respectivement de 1019 atomes/cm3, 24 mi- crons, 1020 atomes/cm3, 16 microns, et 254 10 microns. La figure 10 est un tracé des caractéristiques courant-tension du redresseur planar de la figure 9, mesurées à la température ambiante. L'axe vertical représente la tension inverse à l'échelle de 200 Y/cm et l'axe ho- rizontal le courant inverse de fuite à l'échelle de 2mA/cm. La tension de rupture, qui est de 1 100 V, est proche de la tension théorique de rupture par avalanche de 1 250 V qui correspond au matériau original dont la résis- tivité est de 40JX_.cm. On se reportera maintenant à la figure 11. On peut modifier la diode 30 représentée à la figure 8 en déposant une couche 42 de SiO2 sur une partie prédéterminée de la surface inférieure 44 et, en utilisant la couche 42 comme masque, former une région 46n dans le corps par diffu- sion. La structure résultante est une diode p-i-n. La région 46 no ré- duit au minimum les pertes de conduction directe dans la diode p-i-n. Une autre variation ou modification est représentée à la fi- gure 12 dans laquelle un anneau 50 limiteur de champ à conductivité de type p est formé par diffusion sur la surface inférieure 44 afin d'aug- menter la tension de rupture de la diode p-i-n de la figure 11. La jonction 51 de l'anneau bloquant une partie de la tension, la charge d'espace indiquée par "B" peut pénétrer dans la région 46 n 10. La figure 13 illustre une autre modification de la diode de la figure 8. Dans cette modification, la densité d'atomes dopants dans la ré- gion 2 diminue lentement en fonction de la distance à la limite 40 entre la partie formant gaine ou région 2, et la partie intérieure ou région 1. On peut réaliser cette diminution de la densité d'atomes dopants en effectuant une série d'opérations de fusions superficielles, dans les- quelles les fusions plus profondes sont maintenues pendant des temps pro- gressivement plus courts. La diminution de la densité d'atomes dopants ré- duit le champ électrique maximum à la surface, réduisant ainsi le danger d'une rupture de surface. Une diminution de la densité d'atomes dopants per- mettra une pénétration de la jonction plus profonde à la surface qu'à l'in- térieur. Une pénétration plus profonde à la surface réduira la courbure de la jonction et minimisera donc la possibilité de rupture dans la courbure. La figure 14 représente une autre version de dispositif à jonc- tion planar p-i-n. Dans cette version, la partie formant gaine, ou région 2, passe d'une conductivité du type n à une conductivité du type p et la den- sité d'atomes dopants "ND2" de la partie formant gaine est supérieure à la densité d'atomes dopants "NDlai de l'intérieur ou région 1. La jonction planar 36 p-n présentera une tension de rupture com- parable à un dispositif à jonction mesa, et la largeur de la région de la charge d'espace se prolongera vers l'intérieur en fonction de l'augmenta- tion de polarisation. Dans ces conditions, le champ maximal à la surface et à l'angle de la jonction sera inférieur au champ maximal dansla partie planar. La figure 15 représente une autre modification du dispositif de la figure 12, permettant de former un thyristor planar. La région 34 est composée de sous-régions 1 et 2 qui sont for- mées par fusion et resolidification d'une boule de silicium suivant le pro- cessus décrit ci-dessus. La région 2 présente un typede conductivité opposé à celui de la région 1. Les régions 32, 46 et 48 sont toutes formées par les techniques bien connues de diffusion. - On peut encore modifier le thyristor planar de la figure 15 en formant par diffusion, comme le représente la figure 16, des anneaux 50 limiteurs de champ afin d'augmenter davantage la tension de rupture du dispositif. Comme on l'a décrit en détail ci-dessus, la présente invention fournit un moyen pour améliorer les paramètres électriques de tous les dis- positifs à semiconducteurs de type planar. L'appréciation de certaines des valeurs de mesure indiquées ci- dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisa- tion qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de va- riantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de fabrication de matériau semiconducteur, caracté- risé en ce qu'il comprend les stades de a) fusion d'une partie d'une boule de matériau semiconducteur pour modifier la densité d'atomes dopants, cette fusion étant limitée à une région qui est contiguë à la surface de la boule et dont la profondeur est inférieure à la moitié du diamètre de la boule; et b) modification dela densité des atomes dopants dans la région fondue. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de fusion produit la fusion de la région contiguë à la surface pendant un temps suffisant pour diffuser le matériau dopant à la surface de la région fondue,afin d'évaporer à partir de cette surface le matériau dopant diffusé. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fusion est répétée en plusieurs opérations successives de fu- sion, chaque fusion successive pénétrant sur une épaisseur inférieure à celle. de la fusion précédente. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce qu'un deuxième matériau dopant est utilisé pour do- per la région fondue pendant la fusion. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ce deuxième matériau dopant communique à la région fondue une conductivité de type opposé à celui de la conductivité originale de la boule. 6. Procédé suivant l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend encore le dopage par un autre matériau dopant,entre la surface de la boule et la sous-région dopée par le deuxième matériau dopant. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que les stades mentionnés précédemment ont lieu dans une chambre à vide dont le vide est d'au moins 10 Torrs. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que la fusion est effectuée au moyen d'une bobine ra- diofréquence se déplaçant le long de la boule pour-y produire une région fondue. 9. Matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par un procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Matériau semiconducteur suivant la revendication 9, caracté- risé en ce que la région fondue a une profondeur supérieure à 250 microns. 11. Matériau semiconducteur suivant l'une des revendications 9 ou lorsqu'elles dépendent de la revendication 6, caractérisé en ce que les matériaux dopants sont choisis pour créer une jonction p-n entre la région il originale non fondue de la boule et la région située entre cette région originale non fondue et la région extérieure contiguë à la surface.