Brevet FR2513659A1 — publié le 19830401

La présente invention vise le domaine du traitement des maté- riaux semi-conducteurs et elle concerne plus particulièrement les moyens mis en oeuvre pour assurer la cristallisation ou recristalli- sation superficielle de tels matériaux. Au cours des traitements des matériaux semi-conducteurs lors de la fabrication de dispositifs tels que diodes, transistors, circuits intégrés, cellules solaires, etc, une ou plusieurs étapes nécessi- tent de faire des recuits Ces recuits ont pour but de produire, sui- vant le cas, l'un des phénomènes suivants: cristallisation d'une couche d'un matériau semi-conducteur amorphe déposé sur un substrat recristallisation en phase solide ou fusion puis recristallisation superficielles d'un matériau cristallin en vue d'obtenir une croissance des grains; reconstitution structurelle d'unecouche superficielle détruite par l'implantation ionique d'impuretés dopantes; redistri- bution des impuretés dopantes au voisinage de la surface d'un matériau semi-conducteur. Dans les buts ci-dessus, la méthode habituellement mise en oeuvre actuellement consiste à placer le matériau semi-conducteur à traiter dans un four porté à température élevée et à l'y laisser un temps suffisant. Une telle solution technique n'est pas satisfaisante quant au bilan énergétique En effet, il convient de mettre en oeuvre des moyens importants, cofteux et consommateurs d'énergie pour monter en température une enceinte dans laquelle le matériau semi-conducteur est disposé De plus, le matériau semi-conducteur est maintenu pendant de longues durées à température élevée, ce qui nécessite de travailler en atmosphère parfaitement contrôlée pour éviter toute pollution par le milieu environnant En outre, ces installations ne permettent pas des modifications aisées des paramètres de traitement. Par ailleurs, avec une telle installation il n'est pas possible d'obtenir une fusion superficielle qui permettrait, à partir d'une couche implantée en impuretés dopantes, d'obtenir, après recristalli- sation, une couche uniformément dopée. Il est aussi possible de procéder au traitement de matériaux semiconducteurs en utilisant un faisceau laser dirigé sur la surface d'un matériau à traiter Un tel moyen technique paraît plus adapté aux traitements de couches superficielles et présente en ce sens un avantage par rapport à la solution précédente. Cependant, le laser est connu pour disposer d'un faible rende- ment, ce qui implique une consommation d'énergie importante pour l'exécution de tels traitements. Par ailleurs, la mise en oeuvre d'un faisceau laser ne peut être pratiquement envisagée qu'en faisant intervenir un balayage de la surface à traiter Etant donné que la zone traitée pour chaque bala- yage est de faible surface, il en résulte un défaut d'homogénéité qui est préjudiciable, parfois incompatible, voire rédhibitoire avec le but visé tel que, par exemple, la recristallisation de surface ou la croissance de grains. En outre, il faut noter que les deux solutions-techniques ci- dessus ne se prêtent pas à l'obtention de dopages dont les profils de concentration sont à front raide. La présente invention vise à remédier aux inconvénients ci- dessus en proposant un nouveau procédé de recuit superficiel de ma- tériaux semi-conducteurs permettant de réaliser, très rapidement et avec un excellent bilan énergétique, le traitement de matériaux semi-conducteurs et, notamment, le traitement superficiel par cris- tallisation ou recristallisation. Un objet de l'invention est d'offrir un procédé pouvant 9 tre mis-en oeuvre de façon rapide, pratique, fiable et de façon quasi instantanée, c'est-à-dire ne nécessitant -pas une phase préalable de préparation des installations de traitement comme celle, par exemple, de montée en température initiale des fours thermiques. Un autre objet de l'invention est de proposer un nouveau pro- cédé qui ne fasse pas intervenir en fin de traitement une phase d'at- tente ou de repos avant de passer à l'étape technologique suivante. Un autre avantage de l'invention est d'offrir un procédé de traitement qui puisse être mis en oeuvre en chambre blanche sans né- cessiter d'installation complexe destinée à éviter la pollution du 13659 matériau semi-conducteur. Pour atteindre les buts ci-dessus, l'invention est caractérisée en ce qu'on place un échantillon de matériau semi-conducteur dans une cavité résonnante, on émet une impulsion de micro-ondes à l'inté- rieur de la cavité et on confère à cette impulsion une durée et une- puissance suffisantes pour provoquer un recuit et/ou la fusion superfi- cielle de l'échantillon et sa recristallisation subséquente. Diverses autres caractéristiques de l'objet de-l'invention ressortent de la description détaillée qui suit. Selon l'invention, le procédé de traitement de matériau semi- conducteur consiste à placer un tel matériau dans une cavité réson- nante couplée, par l'intermédiaire d'un guide d'ondes, à un généra- teur micro-onde pouvant être constitué par un magnétron ou, de pré- férence, par une chaîne se terminant par un klystron amplificateur permettant de régler ou de moduler le rayonnement émis. Une telle installation n'est pas décrite dans ce qui suit étant donné qu'elle fait intervenir, pour la constitution, la mise en oeuvre des connaissances techniques de l'homme de métier rela- tives à l'émission et au confinement des micro-ondes La cavité est cependant couplée au générateur de façon qu'elle absorbe pratique- ment toute la puissance émise par ce dernier. La partie du matériau semi-conducteur à traiter au cours d'une impulsion est située dans une-région o le champ électrique est uni- forme et se trouve disposée en sorte qu'elle constitue une partie de la paroi de réflexion de ladite cavité, de manière à constituer ou représenter au moins partiellement une paroi de réflexion de ladite cavité. L'échantillon semi-conducteur est soumis à l'énergie micro- ondes pendant une durée déterminée, de manière à élever sa température superficielle à la valeur requise pour le traitement désiré. Par exemple, pour restructurer en phase solide un échantillon de silicium amorphisé par implantation ionique, on envoie une puissance de l'ordre de I kw par cm 2 de matériau pendant 200 ms, à une fréquence de 8 G Hz Avec les générateurs du commerce, on peut ainsi traiter en une seule impulsion des surfaces atteignant quelques dizaines de cm 2. Toujours à titre d'exemple, on obtient une fusion superficielle du silicium avec une impulsion de 2 kw par crà 2 pendant 200 ms à 8 G Hz. Cependant, ce type de traitement doit être beaucoup plus bref, ce qui entraîne des puissances d'irradiation beaucoup plus élevées, par exemple 200 kw par cm 2 pendant 1 ms. Pour des raisons de facilité de mise en oeuvre pour les grandes surfaces et de disponibilité en-puissance des générateurs du commerce, il est intéressant d'abaisser la fréquence Cependant, la densité de puissance nécessaire croît comme l'inverse de la racine carrée de la fréquence, toutes choses étant égales par ailleurs. Soit T O le temps caractéristique de diffusion de la chaleur dans le matériau sur une profondeur égale à son épaisseur de peau pour la fréquence considérée Si la durée de l'impulsion est infé- rieure à T 0, le traitement s'effectue sur une profondeur sensiblement égale à l'épaisseur de peau; par exemple, pour le silicium, 10 pum à G Hz et 304 um à 1 G Hz Au contraire, si la durée de l'impulsion est supérieure à To, le traitement s'effectue sur une profondeur sensible- ment proportionnelle à la racine carrée de la durée de l'impulsion On peut donc, en ajustant suivant les cas, les puissance et durée du rayonnement micro-onde, faire les différents traitements cités plus haut, à savoir: cristallisation d'une couche d'un matériau semi-con- ducteur amorphe déposé sur un substrat; recristallisation en phase solide ou fusion, puis recristallisation superficielles d'un matériau cristallin envue d'obtenir une croissance des grains; reconstitution structurelle d'une couche superficielle détruite par l'implantation ionique d'impuretés dopantes; redistribution des impuretés dopantes au voisinage de la surface d'un matériau semi-conducteur. Le procédé de l'invention peut donc être mis en oeuvre pour le traitement des semi-conducteurs au sens général pouvant être utilisés dans la construction d'un nombre important de dispositifs en vue d'applications diverses, tels que des diodes, transistors, circuits intégrés, cellules solaires, etc L'un des avantages du procédé de l'invention réside dans le fait que la montée en température quasi immédiate et le refroidisse- -ment subséquent permettent d'obtenir des zones traitées de profon- deurs et dé surfaces contrôlables et reproductibles conférant à des échantillons de matériaux semi-conducteurs traités des caractéris- tiques homogènes En outre, dans le cas de fusion superficielle, étant donné que la montée en température s'effectue en un temps bref, quasi instantané, les impuretés dopantes éventuelles introduites préalablement dans le matériau semi-conducteur se répartissent uniformément de façon instantanée dans la zone fondue ou dans l'épais- seur de la couche superficielle fondue et ne pénètrent que peu ou pas dans le milieu sous-jacent Il en résulte la possibilité, dans un tel cas d'application, d'obtenir des profils de dopage en impuretés à front raide et reproductibles d'un échantillon à un autre. Outre la possibilité de contrôler la profondeur de traitement, il y a lieu de noter que le procédé de l'invention fait intervenir un gradient thermique faible imposé au matériau traité Il en résulte peu de contraintes internes au niveau des zones frontières entre les surfaces exposée et non exposée. Par ailleurs, le fait de placer le matériau seri-conducteur à l'intérieur d'une cavité résonnante permet de lui faire absorber pra- tiquement toute l'énergie émise par le générateur Un rendement de % de l'énergie émise est ainsi obtenu et permet de réaliser un traitement à un coût particulièrement bas comparativement aux pro- cédés actuellement connus et utilisés. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre pour le traitement de matériaux semi-conducteurs dopés ou non Dans la mesure o le matériau n'est pas suffisamment conducteur à froid, le procédé de l'invention prévoit de le rendre absorbant aux micro-ondes par effet de génération de porteurs libres Cet effet est provoqué en soumettant au cours du traitement le matériau semi-conducteur à un rayonnement lumineux, soit à large spectre, soit à spectre étroit adapté à la nature du matériau Dans ce dernier cas, l'énergie des photons doit être supérieure à la largeur de la bande interdite du semi-conducteur A titre d'exemple, le rayonnement peut être émis par une source lumineuse d'une puissance de 300 W placée à 5 cm de la surface à traiter, ces conditions étant réunies pour l'exposition d'une surface d'un cm 2. L'illumination de l'échantillon peut se faire par l'intermé- diaire d'un guide à la coupure débouchant dans la cavité face au maté- riau à traiter. Il se peut que la puissance mise en jeu soit telle qu'elle entraîne une densité d'énergie trop importante (apparition de cla- quages) dans une cavité remplie d'air à la pression atmosphérique. Dans ce cas, le procédé de l'invention prévoit de remplir la cavité résonnante avec un matériau diélectrique de forte rigidité diglec- trique tel que le polytétrafluorure d'éthyle, le polystyrène trans- parent, le quartz, l'hexafluorure de soufre, l'air comprimé ou l'huile de vaseline. Dans la mesure ou le matérieu diélectrique utilisé présente un caractère polluant vis-à-vis du matériau semi-conducteur à traiter, il est prévu d'isoler ce dernier en faisant intervenir une fenêtre non absorbante au rayonnement micro-ondes et en une matière non pollu- ante pour l'échantillon de matériau semi-conducteur Une telle fenêtre peut être réalisée à base de quartz. L'invention n'est pas limitée à l'exemple représenté et décrit ci-dessus, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS I Procédé de recuit superficiel de matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'on place un échantillon de matériau semi-conduc- teur dans une cavité résonnante, on émet une impulsion de micro- ondes à l'intérieur de la cavité et on confère à cette impulsion une durée et une puissance suffisantes pour provoquer un recuit et/ou la fusion de l'échantillon et sa recristallisation subséquente. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on émet, pendant une durée comprise entre 500 ms et 10 As, une impulsion de micro-ondes de fréquence comprise entre I G Hz et 12 G Hz avec une puissance comprise entre 500 W et 200 k W par cm 2 d'échantillon. 3 Procédé selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu'on place l'échantillon dans une cavité résonnante remplie d'un matériau diélectrique. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est choisi parmi le polytétrafluorure d'éthy- lène, le polystyrène transparent, le quartz, l'hexafluorure de soufre, l'air comprimé, l'huile de vaseline. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'échantillon est isolé du matériau diélectrique par une fenêtre diélectrique non absorbante et non polluante pour l'échantillon. 6 Procédé selon l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que l'échantillon est placé dans la cavité résonnante en cons- tituant une partie de la paroi de réflexion de cette dernière et dans une région du champ électrique homogène. 7 Procédé selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu'on excite l'échantillon par une exposition simultanée à la lumière. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on place la source lumineuse dans un guide d'ondes à la coupure débou- chant dans la cavité.