Brevet FR2518807A1 — publié le 19830624

PROCEDE DE REALISATION D'UNE DIODE EN SILICIUM AMORPHE, EQUIPEMENT POUR LA MISE EN OEUVRE D'UN TEL PROCEDE ET APPLICATION A UN DISPOSITIF D'AFFICHAGE A CRISTAL LIQUIDE La présente invention concerne un procédé pour la réalisation d'une diode en silicium amorphe et l'application d'une telle diode à un dispositif d'affichage à cristal liquide. L'invention concerne encore un équipement permettant la mise en oeuvre du procédé. La diode obtenue par le procédé selon l'invention s'applique plus particulièrement aux dispositifs d'affichage thermoélectrique à cristaux liquides smectiques utilisant la technique du multiplexage pour le chauffage séquentiel des lignes ou des colonnes. Un tel système de multiplexage pour écran de visualisation a été décrit dans la demande de brevet français n0 80 26 544 intitulé "Dispositif de commande d'un écran de visualisation et écran de visualisation commandé par ce dispositif" et déposé le 15 Décembre 1980. Le dispositif de visualisation faisant l'objet de la demande de brevet précitée comporte en série avec chaque ligne chauffante une diode de commutation. Une grande simplification du système de visualisation est obtenu si les diodes peuvent être placées directement sur l'écran de visualisation.La fabrication du dispositif de visualisation est grandement facilitée et sa fiabilité très améliorée si, de plus, lesdites diodes peuvent être directement intégrées sur le substrat de l'écran de visualisation proprement dit. Les écrans de la génération actuelle ont une résolution élevée et la densité des lignes et des colonnes est telle qu'il n'existe pas de diodes ayant à la fois la puissance de commutation et les faibles dimensions requises pour une intégration directe sur le substrat dudit écran. Dans l'art connu, des circuits hybrides, comportant les diodes, sont rapportés sur l'écran de visualisation. C'est l'objet essentiel de la présente invention de proposer un procédé pour réaliser des diodes directement intégrables sur le substrat des écrans de visualisation de la présente génération. Les procédés employés à ce jour, en particulier la décomposition du silane en milieu ionisé (glow discharge) ne permettent pas d'obtenir des diodes intégrables pour écrans de visualisation ayant à la fois la densité de courant souhaitée (environ 50 A/cm2) et la tension inverse suffisante (supérieure à 20 V). La présente invention a donc pour objet un procédé de réalisation d'une diode en silicium amorphe comprenant au moins trois couches différemment dopées déposées sur un substrat introduit dans un réacteur caractérisé en ce qu'il comprend au moins une phase de dépôt par décomposition thermique d'un mélange gazeux à une température inférieure à la température de cristallisation du silicium et à pression atmosphérique et une phase de recuit thermique sous atmosphère contenant une densité importante d'hydrogène atomique à une température également inférieure à la température de cristallisation du silicium. L'invention a encore pour objet un équipement permettant la mise en oeuvre du procédé. L'invention a enfin pour objet l'application d'une telle diode à un écran de visualisation à cristal liquide. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement une diode du type p-i-n, - la figure 2 représente schématiquement un appareillage permettant le dépôt des couches de silicium amorphe selon une phase du procédé de fabrication, - la figure 3 est une vue en coupe de l'appareil permettant le traitement thermique du dispositif sous atmosphère constituée d'hydrogène atomique selon une autre phase du procédé, - la figure 4 représente un écran de visualisation dans lequel les diodes fabriquées selon le procédé de l'invention peuvent être mises en oeuvre. La figure 1 illustre schématiquement une diode du type p-i-n. Sur un substrat 40 en silicium cristallin est déposée une première couche p+ 41 de silicium amorphe dopé au bore par décomposition de diborane. Une seconde couche de silicium amorphe non dopé 42 dont l'épaisseur, plus importante, fixe la valeur de la tension inverse est déposée sur la couche 41. Enfin une troisième et dernière couche. n+ 43 de silicium amorphe dopé au phosphore par décomposition de phosphine complète le dispositif. L'ordre des couches peut être inversé pour réaliser une diode de type n-i-p. L'invention se fixe pour objet principal un procédé de fabrication de diodes de ce type p-i-n ou n-i-p en silicium amorphe. Dans l'application préférentielle aux écrans de visualisation qui sera décrite ultérieurement de façon détaillée ces diodes sont intégrées dans le prolongement d'une résistance chauffante filiforme ce qui conduit à réaliser des diodes dont les dimensions typiques sont de 4 mm de longueur sur 0,25 mm de largeur. Le procédé selon l'invention comprend deux phases; une phase dénommée phase I dans laquelle le silicium amorphe est déposé par décomposition thermique d'un mélange gazeux et une autre étape dite "phase II" consistant à effectuer un recuit thermique sous atmosphère constituée d'hydrogène atomique. Les appareils nécessaires pour effectuer ces deux étapes du procédé font l'objet d'une description séparée. La réalisation d'une diode du type p-i-n sur substrat en silicium cristallin a été choisie, à titre d'exemple, pour illustrer la description du procédé selon l'invention. La phase I du procédé comprend les étapes suivantes: a) Mise en place dans une enceinte à atmosphère contrôlée d'un substrat en silicium cristallin (figure 2) b) Mise en circulation dans cette enceinte d'un mélange gazeux sous pression atmosphérique comprenant: - un gaz vecteur constitué d'hydrogène H2 dont le débit est d'environ trente deux litres par minute, - du silane Si H4 à raison d'un litre par minute dont la décomposition provoque le dépôt~ d'une première couche de silicium amorphe sur le substrat, - du diborane B2 H6 à raison d'une molécule pour mille molécules de silane dont le rôle est de donner à la couche de silicium amorphe un dopage du type p+. du type p c) Elévation en température du substrat sensiblement en deçà de cinq cents degrés celsius pendant environ une minute pour obtenir un dépôt de silicium amorphe dopé p+ d'environ mille angstroms d'épaisseur. d) suppression du silane et du diborane pendant approximativement quinze minutes, les autres conditions étant maintenues par ailleurs. e) Remise en circulation du silane Si H4 pendant trente minutes pour obtenir le dépôt d'une deuxième couche de silicium amorphe a- Si non dopé ayant une épaisseur d'environ cinq mille angstroms. f) suppression du silane Si H4 pendant quinze minutes avec maintien des autres conditions. g) Remise en circulation du silane Si H4 et- introduction de phosphine PH3 à raison d'une molécule pour mille molécules de silane dont le rôle est de donner à la troisième couche de silicium amorphe a-Si un dopage du type n+. Maintien de ces conditions pendant environ six minutes pour obtenir une couche de silicium a-Si dopé n+ de mille angstroms d'épaisseur. Dans cette phase I du procédé, le silane peut être remplacé par un polysilane ou un mélange de polysilanes afin de diminuer la température de déposition. La phase ll du procédé comprend les étapes suivantes: - h) Mise en place du dispositif obtenu lors de la phase I dans une autre enceinte (figure 3) i) Mise en circulation dans l'enceinte d'hydrogène atomique sous une pression d'environ treize pascals avec un débit de quelques-cm3 par heure. j) Elévation en température du dispositif à traiter à environ quatre cents -degrés Celcius et maintien de ces conditions pendant environ-une heure. Le procédé selon l'invention n'est pas limité à la seule réalisation d'une diode du type p-i-n sur substrat de silicium cristallin ni aux données numériques indiquées. L'ordre des couches peut être modifié pour réaliser des diodes du type n-i-p. La couche intrinsèque i peut être légèrement dopée, par exemple à raison de 10-6 molécule de phosphine pour une molécule de silane, conduisant alors à des diodes des types p- v -n ou rl-v -p. D'autres substrats que le silicium cristallin capables de supporter 600 degrés celsius comme le quartz ou le molybdène peuvent être employés. Des substrats à plus basse te#pérature comme le verre peuvent être utilisés en employant des extrapolations des techniques connues de dépôt à tem pératuremoins élevées comme par exemple le dépôt: CVD (Chemical Vapor Deposition) de polysilanes ou encore la technique HOMOCVD (HOMOgeneous Chemical Vapor Deposition) dans laquelle le substrat est maintenu à une température inférieure à celle des gaz. La phase Il du procédé peut être appliquée en outre après le dépôt de l'une quelconque des couches effectué pendant le phase I. Les temps d'arrêt correspondant aux étapes d et f de la phase I qui permettent d'obtenir des jonctions abruptes peuvent être modifiés pour changer le profil des jonctions et notamment ne pas exister pour obtenir des jonctions à profils graduels La figure 2 représente schématiquement un appareillage permettant le dépôt des couches de silicium amorphe selon une phase du procédé de fabrication. Il comprend: - un suscepteur circulaire 1 en graphite recouvert de carbure de silicium reposant sur un piédestal en quartz (non repré senté sur la figure). L'ensemble suscepteur et piédestal est animé d'un mouvement de rotation, réglable typiquement entre 0 et 30 tours par minute; - un bobinage comprenant un self spiralée 2, situé dans un plan parallèle au suscepteur 1 et couplé inductive ment à celuici. La self est reliée à un générateur haute fréquence 6 fonctionnant à 400 KHz et de puissance 25 KW. - une jupe en quartz 3 isolant la self de la chambre de réaction; - une cloche en quartz 4 posée sur un socle également en quartz 5. L'ensemble délimite le volume de la chambre de réaction. - un injecteur 7 situé au centre du suscepteur permet l'introduction des gaz G à décomposer dans la chambre à réaction, ces gaz étant évacués par le bas du réacteur par les orifices 8. Les débits gazeux sont mesurés de façon classique à l'aide de tubes débitmètres à bille munis de robinets à soufflet en acier inoxydable. Sur le suscepteur 1 sont représentés, sous la référence 30, des dispositifs en cours de réalisation, c'est-àdire des dispositifs comprenant au moins un substrat sur lequel vont être déposées une ou plusieurs couches selon le procédé de l'invention. La cloche 4 peut comporter également des fenêtres de visée permettant la mesure de la température de ces dispositifs 30 à l'aide de dispositifs de mesure à infrarouge. Toutes ces dispositions sont bien connues de l'homme de métier. - - La figure 3 est une vue en coupe de l'appareil permettant le traitement thermique du dispositif sous atmosphère constituée d'hydrogène atomique selon une autre phase du procédé. Le traitement thermique sous hydrogène atomique est connu, il est décrit dans la demande de brevet français n0 77 17 245 intitulé "Procédé de fabrication de dispositifs électroniques qui comportent une couche mince de silicium amorphe et dispositif électronique obtenu par un tel procédé'1 et déposée le 6 Juin 1977. Le procédé consiste à obtenir de l'hydrogène atomique par ionisation d'hydrogène moléculaire. Le milieu ionisé constitue un plasma dans lequel, selon l'art connu, est placé le dispositif à traiter. L'inconvénient de cette technique réside dans le fait que le plasma contient des ions et des électrons qui attaquent le dispositif traité. C'est un des aspects essentiels de l'invention de proposer un appareil, décrit ci-après, dans lequel le dispositif bien que placé dans une atmosphère d'hydrogène atomique ne se trouve pas en milieu ionisé éliminant de ce fait les inconvénients propes à l'art antérieur. Une enceinte cylindrique en quartz 200 à l'intérieur de laquelle est placé le dispositif 30 à traiter comporte un orifice d'entrée 203 permettant d'introduire de l'hydrogène moléculaire et un orifice de sortie 204 utilisé en premier lieu pour effectuer le vide et ensuite pour assurer une très faible circulation des gaz pendant le traitement. Une cavité centrale 205, située dans l'axe de l'enceinte cylindrique, permet sans problème d'étanchéité, de mesurer la température du dispositif 30 à l'aide d'un thermocouple 206. Des cavités résonnantes 207 et 208 excitées par un générateur à microsndes 209 transforment par ionisation l'hydrogène moléculaire H2 en hydrogène atomique H.Une valeur typique de la puissance absorbée par chaque cavité résonnante est de 30 watts et la fréquence de travail, correspondant par exemple à une des fréquences normalisées par la règlementation en vigueur en France, est de 2.45 GHz (bande S). La puissance consommée non utilisée dans la transformation chimique et apparaissant sous forme calorifique est évacuée par circulation d'azote à travers les cavités résonnantes; une source d'azote 210 est reliée par des conduits 213 à des orifices d'entrée 212 placés sur les cavités résonnantes 207 et 208 ; des orifices de sortie 214 situés sur les cavités résonnantes et diamétralement opposés aux orifices d'entrée 212 permettent à l'azote de s'échapper vers l'extérieur. Une trentaine de spires chauffantes 215 non jointives sont bobinées sur l'enceinte en quartz et réparties sur une longueur d'environ 15 cm ; elles assurent par rayonnement et convexion l'élévation de température du substrat 30. Le substrat 30 à traiter, contrairement à l'art antérieur, est situé en dehors des régions ionisées situées à l'intérieur des cavités 207 et 208 ; de ce fait le mélange gazeux circulant au voisinage du substrat 30 ne contient pas d'ions ou d'électrons susceptibles d'engendrer une attaque par bombardement dudit substrat.Selon une autre caractéristique importante de l'invention, deux sources d'hydrogène atomique obtenues par les cavités 207 et 208 sont disposées de part et d'autre du substrat en traitement; cette disposition rend plus homogène la répartition de l'hydrogène atomique en contact avec le substrat 30. Dans un exemple de réalisation pratique, avec un appareil d'envrion 30 cm~de longueur et 4 cm de diamètre, il a été 2 possible de traiter des substrats ayant jusque 4 cm2 de surface. - La figure 4 représente un exemple d'écran de visualisation dans lequel les diodes fabriquées selon le procédé de l'invention peuvent être mises en oeuvre. Pour la clarté du dessin l'exemple est limité à 3 lignes et 16 colonnes. Ce dispositif à cristal smectique utilise pour l'affichage l'effet thermoélectrique. Le cristal liquide est placé entre deux lames isolantes, l'une placée à l'arrière étant généralement réfléchissante, l'autre côté lecture étant transparente. Ces lames sont rappelees pour mémoire et ne sont pas représentées sur la figure. Des lignes conductrices L1, L2, L3 sont disposées sur la lame arrière Des colonnes conductrices C1 à C16 en matériau transparent se comportant comme des résistances chauffantes sont déposées sur la lame avant, côté lecture. Chacune des colonnes subit dans l'ordre et séquentiellement une élévation de température suivie d'un refroidissement, le cycle thermique étant de courte durée.C'est dans la phase de refroi disse ment ou le cristal repasse de la phase nématique à la phase smectique que les potentiels électriques, appliqués entre les lignes L1, L2,et L3 d'une part et les colonnes C1 à C16 d'autre part, agissent pour rendre le cristal opaque ou transparent aux points d'intersection des lignes et de la seule colonne en phase de refroidissement. Le message est dans ce cas affiché et réactualisé colonne par colonne, et ce, dans un ordre fixe et prédéterminé (par exemple de la gauche vers la droite). La mise en circulation d'un courant successivement dans chacune des colonnes chauffantes suggère l'introduction d'un transistor en série avec chacune de ces colonnes, ces transistors étant rendus conducteurs séquentiellement pour une courte durée par un circuit de commande approprié.Dans le cas d'un écran à 1024 colonnes, il y aurait lieu d'utiliser 1024 transistors (éléments actifs) et leurs circuits de commande. La technique du multiplexage appliquée au chauffage des colonnes met à profit le fait qu'une seule colonne est chauffée à la fois pour réduire considérablement le nombre d'éléments actifs (transistors) et leurs circuits de commande associés en les remplaçant en grande partie par des diodes (éléments passifs). Il devient possible en plaçant N diodes D1, D2.....DN respectivement en série avec les N colonnes C1, C2....CN comme indiqué sur la figure 4 de réduire le nombre de transistors à 2 N au lieu de N. Dans le cas de 1024 colonnes, 64 transistors suffisent. Sur la figure 4 où N = -16, 2 16 transistors sont nécessaires. Ces 8 transistors ou plus généralement ces 8 dispositifs de commande appliquent sur les points Q19 Q2' Q3, Q4, P1, P2, P3 et P4 lune ou l'autre des deux polarités d'une source de façon à faire circuler un courant dans chacune des 16 colonnes et dans une seule colonne à la fois. Ce sont les propriétés de conduction unidirectionnelle des diodes qui rendent cette solution possible en rendant inactives toutes les combinaisons P positifs associés à Q négatifs. Le procédé selon l'invention a donc pour principal avantage de permettre la réalisation de diodes ayant à la fois les caractéristiques électriques et les dimensions physiques permettant leur intégration directe sur le substrat des écrans de visualisation de la présente génération, l'art connu consistant à rapporter ces diodes sur circuits hybrides. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une diode en silicium amorphe comprenant au moins trois couches différemment dopées déposées sur un substrat introduit dans un réacteur caractérisé en ce qu'il comprend au moins une phase de dépôt par décomposition thermique d'un mélange gazeux à une température inférieure à la température de cristallisation du silicium et à pression atmosphérique et une phase de recuit thermique sous atmosphère contenant une densité importante d'hydrogène atomique à une température également inférieure à la température de cristallisation du silicium. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la diode étant de type p-i-n la phase de décomposition thermique comprend: - une première étape consistant dans le dépôt d'une couche dopée p+ par décomposition d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène moléculaire, du silane ou un mélange de polysilanes et du diborane. - une deuxième étape consistant dans le dépôt d'une couche non dopée par décomposition d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène moléculaire et du silane ou un mélange de polysilanes. - une troisième étape consistant dans le dépôt d'une couche dopée ns par décomposition d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène moléculaire, du silane ou un mélange de polysilanes et de la phosphine. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la diode étant de type p-v -n la phase de décomposition thermique comprend: - une première étape consistant dans le dépôt d'une couche dopée p+ par décomposition d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène moléculaire, du silane ou un mélange de polysilanes et du diborane. - une deuxième étape consistant dans le dépôt d'une couche légèrement dopée '?par décomposition d'un mélange gazeux comprenant & BR - une troisième étape consistant dans le dépôt d'une couche dopée n+ par décomposition d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène moléculaire, du silane ou un mélange de polysilanes et de la phosphine. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications i à 3 caractérisé en ce que la phase de recuit thermique sous atmosphère d'hydrogène atomique est réalisée après le dépôt de la dernière couche de silicium amorphe. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la phase de recuit thermique sous atmosphère ~d'hydrogène atomique est réalisé après le dépôt d'au moins une des couches interné~ dlaires de silicium amorphe. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la phase de décomposition thermique comprend des étapes supplémentaires pendant le#squelles le processus de déposition est arrêté entre les étapes de dépôt des couches pendant un temps déterminé par envoi dans ledit réacteur d'hydrogène pur afin d'obtenir des jonctions de profil abrupt. 7. Appareil pour la mise en oeuvre de la phase de recuit du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant une enceinte cylindrique (200) à atmosphère contrôlée et des moyens (215)-pour élever la température du substrat (30) caractérisé en ce que l'enceinte comprend à proximité de chacune de ses extrémités une zone équipée de moyens (207208) permettant d'ioniser les gaz uniquement dans cette zone et une zone centrale non ionisée destinée à recevoir le substrat (30). 8. Appareil selon la revendication 7 caractérisé en ce que les moyens pour ioniser les gaz sont des cavités résonnantes annulaires (207, 208) placées sur l'enceinte cylindrique (200) et excitées par un générateur extérieur (209) délivrant un signal électrique situé dans la bande de fréquence S. 9. Ecran de visualisation à commande thermoélectrique constitué par un assemblage de cellules élémentaires définies par une lame de cristal liquide enserrée entre deux électrodes reliées chacune à une connexion électrique de commande et comportant en outre un réseau de bandes résistives destinées à chauffer sélectivement le cristal liquide desdites cellules caractérisé en ce que des diodes obtenues par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 sont utilisées pour la commande des bandes chauffantes et en ce que ces diodes sont intégrées directement sur ledit substrat.