Brevet FR2505881A1 — publié le 19821119

L'invention concerne un procédé pour doper un maté- riau semiconducteur, dans lequel la substance de dopage est introduite dans un récipient et y est dirigée sur le maté- riau semiconducteur au moyen d'un champ électrique; en outre, l'invention se rapporte à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, de même qu'à un composant à semi- conducteurs qui a été dopé par un tel procédé ou à l'aide d'un tel dispositif. On sait que les composants à semiconducteurs sont fabriqués en introduisant d'abord par dopage dans un subs- trat semiconducteur d'un certain type de conductibilité, différentes zones de types de conductibilité opposés Pour ce dopage, on utilise habituellement des procédés de diffu- sion gazeuse, d'implantation d'ions, des procédés dits par enduction (Paint-on), dont un dopage à partir de verre ou de liquide déposée Mais, tous ces procédés connus sont rela- tivement onéreux pour des dopages faiblement ohmiques et prévus dans le voisinage de la surface, tels qu'ils sont utilisés pour des jonctions pn dans des cellules solaires ou pour un dopage de face arrière pour de petites résistan- ces de contact. Aussi, la présente invention a-t-elle pour objet un procédé et un dispositif pour doper des matériaux semiconduc- teurs, permettant d'opérer avec des moyens aussi faibles que possible et se prêtant de ce fait à une fabrication en masse, en particulier pour des cellules solaires. Dans un procédé du type rappelé en tête du présent mémoire, il est prévu, selon l'invention, que dans le réci- pient est maintenu un plasma contenant la substance de dopa- ge et à partir duquel des ions de la substance de dopage sont introduits dans le matériau semiconducteur, à l'aide d'un champ électrique. Le procédé selon l'invention opère soit avec un plasma haute fréquence couplé par voie capacitive soit avec un plasma haute fréquence excité par voie inductive, étant noté que dans ce dernier cas le champ électromagnéti- que servant à produire le plasma et le champ électrique constituant la tension de traction pour l'accélération d'ions sur une cible, étant réglés séparément Il est ainsi possible de régler, indépendamment l'un de l'autre, et dans certaine mesure, la tension et le courant selon le dopage souhaité et la constitution du dispositif. Selon l'invention, le plasma haute fréquence excité par voie capacitive ou inductive est produit dans un gaz de dopage, et les ions de la substance de dopage sont accé- lérés sur une cible qui porte les substrats semiconducteurs à doper Ces substrats semiconducteurs peuvent être posés à plat sur la cible ou y être bloqués en position debout. Dans une forme de réalisation préférée, et à l'aide d'une bobine haute fréquence placée à l'extérieur autour d'un récipient en verre, on excite, avec une fréquence de par exemple 4 M Hz, un plasma basse pression, désigné habi- tuellement par le terme de décharge annulaire, de par exem- ple 8 104 Torr dans un mélange d'hydrogène et de phosphine. Une tension de traction d'environ 500 V est appliquée pour quelques secondes entre la cible et une anode En raison de la densité de courant élevée d'environ 1 m A/cm 2, on obtient, pendant cette courte durée, déjà un dopage maximum d'environ 1022 d'atomes de substanoe étrangère/cm 3, avec une profondeur de pénétration d'environ 5 10-3 im ( 50 A), sans qu'apparaisse un effet notable de détachement ou de pul- vérisation du matériau constitutif de la cible Si l'on augmente lentement la tension, on peut maintenir à une plus faible valeur le dopage maximum, étant donné qu'on peut ainsi régler un profil de dopage plus plat et diminuer, de ce fait, le danger d'élimination ou de précipitation A la suite de cette implantation d'ions à faible énergie, les substrats semiconducteurs sont recuits, sans ou avec une couverture de verre qui peut par exemple être constituée par du Si O 2, à par exemple 9500 C, pendant 30 minutes, et le profil de dopage souhaité est ainsi ajusté par diffusion. Grâce à l'invention, on obtient des résistances à couches d'environ 30 Ohm pour une profondeur de pénétration d'environ 0,3 vm, ce qui correspond à un dopage d'environ cm-2 10 cm A la place d'un recuit thermique, on peut également réaliser un recuit à l'aide d'un rayon laser ou d'un rayon d'électrons. L'invention permet un dopage à durées de dopage très courtes pour de grandes surfaces de cibles, en sorte que le débit de substrat n'est limité que par la constitu- tion matérielle du dispositif Ainsi, on peut par exemple traiter 600 à 1000 disques de silicium d'un diamètre d'envi- ron 10 cm A l'heure, avec des installations de pulvérisa- tion cathodique habituellesmais après leur transformation permettant la mise en oeuvre du procédé de dopage décrit. Grâce à la faible pression de travail, on peut compter avoir une plus faible attaque sous-jacente sous les masques appliqués, en sorte qu'un dopage partiel de substrat est rendu possible Ainsi, il est possible, par exemple, pour la fabrication de cellules solaires, de recouvrir le bord des disques avec un masque annulaire. Un avantage principal de l'invention réside dans la constitution simple du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention et dans les frais de dopage faibles qui y sont liés. Dans le cas d'un plasma excité par voie inductive, et par opposition à un plasma excité par diode haute fré- quence ou par voie capacitive, on ne constate pas de bombar- dement ionique ce qui rend encore plus faibles les dangers d'impuretés par des gaz résiduels. Dans ce qui suit, on explicitera, à titre d'exemple, l'invention à l'aide du dessin annexé dans lequel la figure 1 représente selon une constitution sim- ple un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé confor- me à l'invention, la figure 2 représente un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, avec un maga- sin de circulation, permettant l'exécution successive de plusieurs processus, la figure 3 montre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, avec un sas pour l'introduction et l'enlèvement de substrats semiconducteurs sans pollution de la chambre à plasma, la figure 4 est un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, dans lequel des substrats semiconducteurs doivent être dopés de toutes parts, la figure 5 est un dispositif pour la mise en oeu- vre du procédé conforme à l'invention avec une installation à sas qui permet le dopage successif des substrats semi- conducteurs, la figure 6 est un dispositif pour la mise en oeu- vre du procédé conforme à l'invention avec un plasma couplé capacitivement à l'aide d'une diode haute fréquence. La figure 1 montre un dispositif, de constitution simple, pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'in- vention Dans un récipient 1, qui est constitué par un cylindre de verre 21, par un couvercle 22 et par un fond 23, un plasma 2 est excité par voie inductiveàl'aided'unebcdine haute fréquence 10 qui est bobiné autour du cylindre 21. Entre le couvercle 22 qui est isolé électriquement du fond 23, et une cible 4, est appliquée une tension d'environ 500 V La cible 4 est reliée, par une traversée électrique non représentée dans les figures, au pôle négatif d'une source de tension qui est disposée à l'extérieur du réci- pient 1 Une phosphine (PH 3 dans H), une vapeur de phos- phore ou du diboranne dans H 2 est introduite, par l'inter- médiaire d'une entrée passant par le couvercle 22 et qui est schématisée par la flèche 25, dans l'espace intérieur du récipient 1 qui, à son tour, est évacué par l'intermé- diaire d'une ouverture 26 ménagée dans le fond 23, comme cela est indiqué par une flèche 27. Dans cet exemple d'exécution, la bobine haute fré- quence 10 excite le plasma 2 dans l'espace intérieur du ré- cipient 1 Ce plasma contient la phosphine qui a été intro- duite par l'entrée ou admission 25 A l'aide de la tension d'accélération qui est appliquée entre le couvercle 22 qui constitue l'anode et la cible 4, les ions de la substance de dopage sont accélérés du plasma 2 sur les substrats semi- conducteurs 3 qui reposent sur la cible 4 La cible 4 est de préférence constituée par du titane. La figure 2 montre un autre exemple d'exécution de l'invention, dans lequel la cible 4 est pourvue d'une ouver- ture qui mène à un magasin de circulation 15 à l'aide du- quel les disques individuels de substrat 6 peuvent successi- vement être exposés à la substance de dopage provenant du plasma 2 On peut ainsi procéder à plusieurs processus de dopage, successivement sur plusieurs disques Dans cet exem- ple d'exécution, le fond 23 sert d'anode; ce fond 23 est à cet effet isolé électriquement de la cible 4. La figure 3 montre un autre exemple d'exécution de l'invention, dans lequel la cible 4 comporte, tout comme dans l'exemple d'exécution de la figure 2, une ouverture 29 Mais au-dessus de cette ouverture 29 se trouve un cla- pet de soupape 31 au moyen duquel l'enceinte intérieure du réservoir 1, contenant le plasma 2, peut être isolée de l'agencement qui se trouve dans le haut Derrière cette ou- verture 29 se trouve un poste de revêtement 32, dans lequel les substrats semiconducteurs individuels 6 peuvent être amenés successivement à partir d'un magasin de réserve 19 Avec cet exemple d'exécution, il est possible d'opérer une introduction et une évacuation des substrats semiconduc- teurs individuels 6, sans pollution de la chambre à plasma proprement dite, donc sans pollution de l'espace intérieur du réservoir 1. Dans la figure 4 on a représenté un exemple d'exécu- tion dans lequel les substrats semiconducteurs individuels 6 sont disposés sur champs sur la cible 4 Avec cet exem- ple d'exécution, il est possible de procéder à un dopage de toutes parts des substrats semiconducteurs individuels 6. Dans la figure 5 on a à nouveau représenté un exem- ple d'exécution avec un agencement à sas, exemple d'exécu- tion dans lequel on prévoit à gauche et à droite de la cible 4 un sas 17 et 18, respectivement, par lesquels les matériaux semiconducteurs individuels 3 peuvent être amenés successivement sur la cible 4. Finalement, la figure 6 montre un exemple d'exécu- tion dans lequel le plasma 2 a été excité capacitivement, en prévoyant un condensateur particulier 4, 28 La cible 4 2-505881 constitue en même temps une plaque du condensateur En ou- tre, la cible 4 est reliée par l'intermédiaire d'un dispo- sitif d'adaptation 38, à un émetteur haute fréquence 39. Cet émetteur haute fréquence 39 produit l'énergie qui est nécessaire pour exciter le plasma dans le récipient 1. REVENDICATIONS 1 Procédé pour doper un matériau semiconducteur, dans lequel la substance de dopage est introduite dans un récipient et y est dirigée sur le matériau semiconducteur au moyen d'un champ électrique, caractérisé par le fait que dans le récipient ( 1) est maintenu un plasma ( 2) conte- nant la substance de dopage, et à partir duquel des ions de la substance de dopage sont introduits dans le matériau semiconducteur ( 3), à l'aide du champ électrique. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour le plasma ( 2) est mis en oeuvre un plasma haute fréquence couplé par voie capacitive. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour le plasma ( 2) est mis en oeuvre un plasma haute fréquence excité par voie inductive. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le champ électromagnétique servant à pro- duire le plasma et le champ électrique qui forme la tension de traction pour l'accélération d'ions sur une cible ( 4), sont réglés indépendamment l'un de l'autre. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le plasma haute fréquence excité par voie capacitive ou inductive est produit dans un gaz de dopage, et que les ions de la substance de dopage sont accélérés sur une cible ( 4) sur laquelle est prévu le matériau semi- conducteur ( 3) sous la forme de substrats semiconducteurs ( 6). 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on utilise comme gaz de dopage du PH 3 ou du B 2 H 6 ou de la vapeur de phosphore provenant d'une source d'évaporation. 7 Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'une bobine haute fréquence ( 7) montée autour d'un récipient en verre excite, à une fréquence d'environ 4 M Hz, un plasma basse pression ou une décharge annulaire d'environ 8 10 Torr dans un mélange d'hydrogène et de phosphine. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé 8 S. par le fait qu'au titre de tension de traction on applique 500 V, pour quelques secondes, entre la cible ( 4) et une anode ( 8). 9 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé par le fait qu'à partir de la cible ( 4) règne une densité de courant d'environ 1 m A/cm 2. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caracté- risé par le fait que l'on augmente lentement la tension afin de maintenir à une valeur basse le dopage maximum dans le matériau semiconducteur ( 3) et en vue d'obtenir un profil de dopage initial avantageux. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisé par le fait que le matériau semiconducteur ( 3) est recuit, sans ou avec une couverture de verre, à environ 9500 C et pendant environ 30 minutes, ce qui permet de régler par diffusion le profil de dopage souhaité. 12 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisé par le fait que le matériau se- miconducteur ( 3) est recuit par bombardement à l'aide d'un rayon laser ou d'un rayon d'électrons. 13 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est prévu autour du récipient ( 1) une bobine haute fréquen- ce qui produit dans le récipient ( 1) inductivement le plas- ma haute fréquence ( 2). 14 Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé par le fait que la cible ( 4) est faite avec du titane. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé par le fait qu'il est prévu dans le récipient ( 1) un magasin de circulation ( 15) pour les substrats se- miconducteurs ( 6), en sorte que ceux-ci peuvent passer successivement par plusieurs processus. 16 Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé par au moins un sas ( 16, 17, 18) qui communique avec le récipient ( 1) afin de permettre l'introduction dans le récipient ( 1) qui constitue la chambre à plasma, des subs- trats semiconducteurs ( 6),sans pollution. 17 Dispositif selon la revendication 16, caracté- risé par le fait que dans le sas est susceptible d'être in- troduit un magasin de réserve ( 19). 18 Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé par le fait que les substrats semiconducteurs ( 6) sont disposés perpendiculairement ou sur chant sur la cible ( 4). 19 Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé par le fait que les substrats semiconducteurs ( 6) sont disposés parallèlement à la cible ( 4). Composant à semiconducteurs, dopé selon le pro- cédé de l'une quelconque des revendications 1 à 12, carac- térisé par le fait que par une résistance à cou- che d'environ 30 Q/t, pour une profondeur de pénétration 1 5 d'environ 0, 3 vm, ce qui correspond à un dopage d'environ 1015 cm-2.