Brevet FR2513439A1 — publié le 19830325

PROCEDE DE TRAITEMENT DE SUBSTRAT DE GAAS, PAR IMPLANTATION IONIQUE ET SUBSTRATS AINSI OBTENUS L'invention concerne un procédé de traitement de substrat d'arséniure de gallium (Ga As), par implantation ionique, en vue d'obte- nir à la surface du substrat des régions de type de conductivité néga- tive séparées par des régions isolantes pour la fabrication ultérieure de dispositifs semi-conducteurs Elle concerne également les produits obtenus par ce procédé, et les dispositifs semi-conducteurs réalisés à partir de ceux-ci. L'invention a trait au domaine de l'électronique, plus spécifiquement aux technologies de fabrication des dispositifs semi- conducteurs. Parmi les diverses technologies de fabrication, l'implan- tation ionique trouve ufine place de plus en plus importante vis-à-vis de l'épitaxie ou de la diffusion, du fait de l'extrême diversité des implants et de sa facilité de mise en oeuvre, de contrôle et de repro- ductibilité A titre de référence bibliographique, on peut citer l'ouvrage "Ion implantation of Semiconductors" par Carter et Grant, 1980, édité par Edward Arnold (Londres). Mais, les effets obtenus sur un substrat quelconque de Ga As ou d'un autre matériau semi-conducteur sont largement dépendants des conditions initiales, par exemple du dopage initial du substrat. Et les procédés connus de fabrication de dispositifs semi-conducteurs par implantation(s) ionique(s) conduisent au rejet de très nombreuses plaquettes non conformes pour l'usage auquel elles sont destinées. L'invention vise à fournir un procédé de traitement de substrat (ou plaquette) de Ga As, plus fiable et dont la mise en oeuvre par l'industriel n'obere pas ses coûts de fabrication. Le procedé de traitement selon la présente invention est remarquable en ce que 1 'un choisit un substrat de Ga As de type semi- isolant, obtenu ar exemple par dopage au chrome (Cr), en ce que l'on 0 réalise une premiere implantation d'ions silicium (Si+) sur l'entière surface du substrat, pui 3 en ce que l'on réalise une deuxième implanta- tion d'ions oxygène ( O +) dans les régions destinées à devenir isolantes, enrfin en ce que l'on soiumet edit substrat à un traitement thermique sous encapsulent. De cette manière, on peut procéder d'une façon très simple et surtout automatisée au relevé du profil C(V) en plusieurs points de la plaquette ainsi traitée (cartographie) après la première implantation ionique et s'assurer de façon globale de la conformité de ladite plaquette aux exigences préalablement définies, et le cas échéant, de rejeter la plaquette, alors que le coût de traitement de celle-ci n'est pas encore très élevé. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre comment celle-ci s'exécute et se poursuit. La figure 1 représente un accélérateur ionique dit de Van de Graaf, pour implantation. Les figures 2 à 6 représentent diverses étapes du procédé selon la présente invention, et des opérations de mesures à effectuer. Le dispositif, tel que représenté à la figure 1, représen- te un accélérateur ionique de Van de Graaf, utilisé de façon usuelle pour l'implantation ionique dans des plaquettes de divers matériaux, et notamment des plaquettes de semi-conducteurs. Un tel dispositif comporte généralement une source d'ions 1, des moyens électrostatiques 2 pour accélérer ceux-ci, des moyens 3 pour séparer les diverses espèces ioniques présentes dans le faisceau, des moyens 4 ou 5, pour faire dévier dans un plan horizontal ou vertical les ions ainsi sélectionnés, enfin une fenêtre 6 de façon à pouvoir visualiser, disposer et déplacer un substrat 7 sur un porte-substrat 8. Lorsqu'un ion est accéléré par une importante différence de potentiel, dans un accélérateur tel que celui représenté à la figu- re 1, et qu'il pénètre à travers la surface d'une plaquette, un grand nombre d'effets s'ensuivent. D'une part, il vient se localiser de fanon Pléatoire dans la matrice cristalline de la plaquette à des profondeurs qui dépen- dent de son énergie cinétique, des tailles respectives de l'implant et des atomes de la matrice d'accueil et qui peuvent être déterminées de façon statistique par des tables dites de LSS selon les initiales de leurs auteurs,qui donnent les paramètres de la distribution gaussienne, courbe théorique du profil d'implantation. D'autre part, la présence d'atomes étrangers vient modifier de façon sensible les propriétés de conductivité électrique de la pla- quette, notamment lorsqu'il s'agit d'un matériau semi-conducteur. Ainsi, l'implantation dans une plaquette semi-isolante de Ga As, d'ions silicium (Si+) ou (Se+), en quantités suffisantes, la rend conductive, de type de conductivité n, alors que l'implantation d'ions béryllium (Be+), la rend conductive, de type de conductivité p. L'invention repose sur le fait connu en soi, notamment de la publication dans Journal of Applied Physics, Vol 47, N 6, Juin 1976, de l'article "Semi-insulating layers of Ga As, by oxygen implantation" par P N FAVENNEC, que l'implantation d'oxygène dans un matériau massif de Ga As le rend isolant, et qu'il reste stable sous un traite- ment thermique à haute température Elle en diffère cependant en ce qu'elle intègre toute une série complexe d'étapes, en vue de la fabri- cation de dispositifs semi-conducteurs. Le procédé de traitement selon la présente invention sera décrit, en référence aux figures 2 à 6, dont les éléments identiques portent les mêmes nombres. A partir d'une plaquette d'arséniure de gallium, telle que référencée 10 à la figure 1, de type semi-isolant, obtenue par exemple par un dopage initial au chrome lors de l'élaboration, par exemple, selon le procédé BRIDGMAN, on implante uniformément sur l'entière sur- face 11 de la plaquette des ions silicium (Si+) avec un faisceau ioni- que dont le flux est compris sensiblement entre 1012 et 5 1012 cm-2, et une énergie cinétique de 50 à 500 ke V, ce qui donne une profondeur de pénétration théorique, calculée à partir des valeurs tabulées de LSS, comprise entre 0,1 et 1 micron. Il est alors possible d'effectuer un relevé des profils C(V) (figure 3) à partir d'une méthode parfaitement connue et automa- tisée telle que la technique de la double bille de mercure, décrite par exemple dans Electronics Letters, 11, 580 ( 1975) dans l'article "Fast and non-destructive method of C(V) profiling of thin semiconduc- tor layer, on an insulating substrate" par H BINET. A partir de ces relevés cartographiques des caractéristi- ques capacité-tension, on en déduit les profils de dopage correspon- dants (figure 4), c'est-à-dire la densité de porteurs libres N(x) (en cm3), en fonction de la profondeur, qui s'écarte quelque peu de la gaussienne théorique calculée selon la méthode LSS. Après ce test simple et peu coûteux, on est alors conduit à rejeter la plaquette comme non conforme (inhomogénéité, densité ce porteurs libres trop faible), ou de la conserver, alors qu'en outre, on peut en déduire avec une bonne approximation le flux auquel elle doit être soumise, lors des prochains bombardements ioniques. L'étape suivante du procédé, telle que représentée a la figure 5, consiste à réaliser un masquage partiel, à partir d'une laque photosensible 12, d'une épaisseur moyenne de l'ordre du micron, que l'on cuit à température moyenne, et que l'on impressionne aux ultra-violets à travers un masque adéquat (pour qu'elle se solidifie) et que l'on enlève sélectivement la laque non polymérisée avec un dissolvant selon une technique connue en soi de photogravure. On implante ensuite des ions oxygène (O +) avec une dose, environ dix fois plus importante, comprise sensiblement entre l U 13 et 5.1013 cm 2, et une énergie comprise entre 50 et 500 ke V Aux en- droits non recouverts de laque, l'implantation d'ions oxygène à ces doses va rendre isolante la région implantée, et l'on obtiendra par exemple une structure telle que représentée à la figure 6 o sont sé- parées par des régions isolantes (I), des régions de type de conduc- tivité N pour la fabrication, sur une même plaquette, d'une multitude de cellules élémentaires. Un tel procédé de réalisation peut ainsi conduire à une densité d'intégration très grande, de telle sorte que l'on peut obte- nir des circuits intégrés à grande échelle (dits LSI, de l'anglais large scale integration"'), avec des complexités de circuit supérieures à 100 portes-logiques par plaquette. L'étape ultérieure du procédé consiste à effectuer un traitement thermique de façon à activer la couche (pour faire passer les atomes implantés d'une position intersticielle à une position substitutionnelle dans la matrice cristalline d'accueil) et à guérir les défauts occasionnés par le bombardement Ce traitement thermique s'effectue à des températures de l'ordre de 7000 C à 9000 C pendant une quinzaine de minutes et sous encapsulant, de façon à éviter l'évapo- ration des composants du cristal (spécialement l'arsenic) Divers encapsulants sont possibles, tels que l'alumine (A 1203), la silice (Si O 2) ou le nitrure de silicium (Si 3 N 4) préférentiellement, la Demanderesse utilise ce dernier avec une épaisseur de quelques cen- taines d'Angstr ms, obtenue par réaction entre le silane et l'ammoniac, en atmosphère aussi exempte d'oxygène que possible. Mais, dans diverses possibilités d'application de l'inven- tion, o d'autres implantations ioniques sont nécessaires, il est pos- sible de traiter thermiquement la plaquette à la fin des étapes d'im- plantation. Ainsi, par exemple pour la réalisation de transistors de type JFET (pour "Junction field effect transistors"), il est nécessaire d'implanter un ion qui conduit à un type de conductivité inverse, par exemple du bêryllium, pour le type de conductivité p Dans ce cas, la détermination préalable de la concentration en porteurs libres permet de déterminer très précisément le flux d'implants et l'énergie de ceux-ci, spécialement dans le cas de transistors JFET, normalement bloqués, o la jonction est particulièrement profonde et les densités respectives des porteurs libres sont particulièrement difficiles à ajuster. L'avantage de l'implantation d'ions oxygène par rapport aux autres implants connus, destinés à rendre isolante la région implantée d'arséniure de gailium, tels que le bombardement de protons, est dû notamment au fait qu'il supporte des températures de recuit supérieures à i 000 C, alors que cette propriété d'isolation obtenue par un bombarde- ment de protons disparaît lors de recuit supérieur à 3501 C. Il est certain également que de nombreuses variantes de l'invention peuvent être imaginées par l'homme de l'art, sans pour cela faire oeuvre d'esprit dune sans sortir du cadre de la présente inven- tion telle que décrite ci-dessus at revendiquée ci-après. 6 2513439 REVENDICATIONS 1 Procédé de traitement de substrat d'arséniure de gal- lium (Ga As), par implantation ionique, en vue d'obtenir à la surface du substrat des régions de type de conductivité négative séparées par des régions isolantes pour la fabrication ultérieure de dispositifs semiconducteurs, caractérisé en ce que l'on choisit un substrat de Ga As, de type semi-isolant, obtenu par exemple par dopage au chrome (Cr), en ce que l'on réalise une première implantation d'ions sili- cium (Si+) sur l'entière surface du substrat, puis en ce que l'on réalise une deuxième implantation d'ions oxygène ( O +) dans les régions destinées à devenir isolantes, enfin en ce que l'on soumet ledit subs- trat à un traitement thermique sous encapsulant. 2 Procédé de traitement de substrat de Ga As, par double implantation ionique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise la première implantation ionique d'ions silicium (Si+) à des doses comprises sensiblement entre 1012 et 5 1012 cm 2, et des énergies comprises entre 50 et 500 kel J. 3 Procédé de traitement de substrat de Ga As par double implantation ionique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise la deuxième implantation ionique d'ions oxygène ( 0), à des doses comprises sensiblement entre 1013 et 5 1013 cm'2, et des énergies comprises entre 50 et 500 ke V. 4 Procédé de traitement de substrat de Ga As, par double implantation ionique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soumet ledit substrat à un traitement thermique sous un encapsu- lant de nitrure de silicium (Si 3 N 4), à des températures comprises entre 700 et 9000 C, pendant une durée voisine de 15 minutes, dans une atmos- phère d'azote. Substrat de Ga As, traité par implantation(s) ionique(s), selon l'une des revendications 1 à 4. 6 Dispositifs semi-conducteurs, en arséniure de gallium, obtenus selon un procédé de fabrication comprenant au moins les éta- pes d'implantation(s) ionique(s) et de recuit, telles que décrites dans l'une des revendications 1 à 4.