Brevet FR2524200A1 — publié le 19830930

Procédé d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse et dispositif à semiconducteurs réalisé à l'aide de ce procédé La présente invention concerne l'implantation d'ions et elle a trait, plus particulièrement, à un procédé d'implanta- tion d'ions non-soumis à une analyse de masse,dans lequel des espèces non-choisies sont accélérées et implantées dans une cible. Actuellement, l'implantation d'ions est considérée comme étant l'une des techniques importantes, spécialement dans l'industrie des semiconducteurs D'une façon classique, la plupart des appareils d'implantation d'ions pour le traitement de semiconducteurs sont basés sur une implantation d'ions soumis à une analyse de masse, implantation dans laquelle on effectue une analyse de masse en'utilisant un champ magnétique statique engendré par un aimant et on utilise un ion d'une des espèces choisies comme source d'ions L'implantation d'ions soumis à une analyse de masse présente l'avantage d'une pureté élevée en ce qui concerne les impuretés implantées mais 2 G nécessite un analyseur de masse et a pour inconvénient que l'appareil est cofteux à fabriquer et à exploiter. D'autre part, on a proposé l'implantation d'ions non- soumis à une analyse de masse spécialement pour la formation d'une jonction pn de batteries solaires et on sait qu'elle élimine l'inconvénient ci-dessus (demande de brevet japonais n O 130975/78 mise à l'inspection publique) Dans l'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse, les ions sont accélérés et, sans être soumis à une analyse de masse, implan- tés dans une cible Ce procédé d'implantation d'ions évite l'utilisation de l'analyseur de masse de sorte que non seulement on peut réduire les dépenses concernant le prix de l'appareil et son coût d'exploitation mais on peut aussi réduire le trajet des faisceaux d'ions de manière à diminuer les pertes d'ions dues aux collisions et à une dispersion des faisceaux d'ions à l'endroit de la paroi intérieure de l'appareil La réduction de cette perte se traduit par une augmentation du courant d'implantation qui, à son tours augmente les vitesses de traitement d'implantation. Toutefois, dans l'implantation classique d'ions non- soumis à une analyse de masse, tous les ions d'espèces non- choisies sont-implantés dans la cible et l'utilisation de - matières de source composites soulèvent des difficultés En outre, même avec une matière de source élémentaire, comme par exemple du phosphore rouge, un vaporiseur de phosphore est nécessaire et il faut, pour empêcher une solidification du phosphore vaporisé chauffer jusqu'à environ 4000 C une atmo- sphère entre le vaporiseur de phosphore et la source d'ions La presente invention a pour objet un procédé d'implan- tation d'ions dans lequel on peut utiliser des composés comme matière de source sans choisir préalablement les espèces d'ions. Selon une des caractéristiques de la présente invention, des faisceaux d'ions contenant des ions d'espèces différentes et accélérés électriquement sont soumis à un balayage magné- tique pour obtenir, sur la surface d'une cible, un profil de distribution de doses d'ions implantées qui dépendent des espèces d'ions Comme matière de source, le plus préférable est d'utiliser un composé hydrogèn 4 qui présente un rapport de masse diens important parmi les espèces d'ions et que l'on peut manipuler facilement* Comme matière de source adaptée pour une cible en silicium, le plus préférable est d'utiliser du phosphure gazeux d'hydrogène (PH 3) ou de l'hydrogène arsénié (As H 3) On peut aussi utiliser du diborane (B 2 H 6) ou un autre corps analogue. Pour le balayage du faisceau d'ions, il est préférable d'utiliser un système de balayage magnétique convenant pour traiter de forts courants de faisceaux d'ions d'une taille de spot importante. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description détaillée donnée ci-après en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est un diagramme de spectre de faisceaux d'ions produit à l'aide d'une source ionique a micro-ondes, la figure 2 est un graphique montrant l'influence de la dose d'ions H implantés sur la tension "a circuit ouvert d'une batterie solaire; et la figure 3 est un schéma d'un appareil d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse, du type à balayage par champ nagnétique, cet appareil étant utilisé pour appliquer un procédé d'implantation d'ions selon la présente invention. On va donner tout d'abord une brève description d'une implantation d'ions dans le cas d'un dopage d'un semi- conducteur Pour doper un semiconducteur formé par un élément du groupe IV, tel que le silicium, on utilise, de façon typique, un élément du groupe III comme par exemple le bore B ou l'aluminium Àl, comme dopant de conductivité p et un élément du groupe V, comme par exemple le phosphore P ou l'arsenic As, comme dopant de conductivité n Lors de l'implantation d'ions, on implante dans le semiconducteur soit un ion de l'un quel- conque de ces éléments soit des ions contenant l'un quelconque de ces éléments L'ion utilisé à cette fin est, de façon typique, produit par ionisation d'une source d'impuretés d'un composé à l'aide d'un chauffage ou d'une décharge. Par exemple, quand on a recours à-un gaz de décharge comme PH 3, on obtient-des espèces d'ions telles que celles représentées sur la figure t o l'axe des abscisses représente la masse(m)/charge(q) (échelle arbitraire) On voit sur la figure 1 qu'en plus d'un ion P, on obtient des ions P 2 i + PH, PH 2,PH 3, H, H 2 et H 3 Dans l'implantation d'ions soumis à une analyse de masse, on utilise sélectivement l'ion P, tandis que dans l'implantation d'ions non-soumis à une -analyse de masse, on implante simultanément tous les ions dans le substrat semiconducteur On a effectué une implantation superposée d'autres ions que l'ion P sur une implantation $ 5 d'ions P+ à l'aide du procédé d'implantation d'ions soumis à une analyse de masse pour examiner quelle était l'influence des espèces d'ions autres que l'ion P sur les caractéristiques de la batterie solaire L'expérience a révélé que les ions tels que P 2, P, PH, PH 2 + etPH 3 contenant du phosphore pourmient être utilisés efficacement comme source-d'impuretés. Toutefois, les résultats expérimentaux ont montré qu'une implantation d'ions H avec une énergie d'implantation de 33 Ke V et une température de recuit de 8500 C appliquée pendant minutesen particulier, avait une influence extrêmement nuisible A ce sujet, on peut se reporter aux résumés des exposés techniques de la seconde conférence technique sur les Sciences -Photovoltalques tenue au Japon en 1980 i (Digest of iechnical Papers of 2nd Photovoltanic Science Engineering Conference, Japon, 1980, IP-2, page 2 par H Itoh et'al) On a observé l'influence nuisible de l'im- plantation d'ions H sur les caractéristiques de batteries solaires, particulièrement sur la tension à circuit ouvert (Yoc),et le réglage de la dose d'ions H+ implantés s'est avéré nécessaire. Pour étudier la raison de cette influence nuisible, on a effectué des observations au microscope électronique et des mesures DLTS (Spectroscopie Transitoire à Niveau Profond) et on s'est aperçu qu'environ 100 5 o des ions H implantés s'étaient vaporisés du substrat cristallin à une température de 700 C ou plus, mais que l'endommagement du cristal provoqué par l'implantation d'ions H avait créé, après recuit, des défauts dans le réseau cristallin et des centres de piégeage qui étaient localisés près de la jonction. On comprendra donc, que, aans certains cas, l'implantation d'espèces d'ions non-choisies dans la cible aboutit à des résultats défavorables On a donc cherché à résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en tirant parti de l'implan- tation d'ions non-soumis à une analyse de masse, laquelle se revèle avantageuse par le fait que les ions peuvent être implantés dans la cible à une dose élevée en un bref laps de temps avec un appareil simplifié. D'une façon générale, des ions d'espèces différentes présentent des charges ou des masses différentes Lorsque l'on accélère des ions engendrés appartenant à des espèces diffé- rentes par l'application d'un champ électrique, on choisit des ions d'une certaine polarité pour obtenir des faisceaux d'ions qui contiennent diverses espèces d'ions, comme représenté sur la figure 1. Lorsque l'on applique un champ électromagnétique aux faisceaux d'ions, les espèces d'ions différentes sont influen- cées différemment par le champ magnétique De façon typique, quand un champ magnétique est appliqué dans une direction transversale à la direction de déplacement des faisceaux d'ions, les ions sont déviés par la force de Lorentz dans une i 5 direction qui est perpendiculaire à la direction de déplacement et à la direction du champ magnétique et ils se dispersent en fonction des valeurs de q/m En soumettant le champ magnétique à un balayage, on peut obtenir un balayage des espèces d'ions différentes sur des longueurs de balayage différentes. Le rapport de longueur de balayage entre deux espèces d'ions de charge égale peut être évalué approximativement comme étant en proportion inverse à la racine carrée du rapport massique Le pourcentage d'un ion ayant une masse importante augmente donc dans la zone centrale de balayage tandis que le pourcentage d'un ion ayant une faible masse augmente à la périphérie du balayage Par exemple, lorsqu'un ion monovalent de masse 100 effectue un balayage sur une largeur de 1 cm, on considère qu'un ion monovalent de masse 1 (un) effectue un balayage sur une largeur d'environ 10 cm. On va supposer maintenant qu'un composé contenant du bore B et du fluor F est ionisé de manière à donner un ion bore monovalent et un ion fluor monovalent Du fait que le bore B et le fluor F ont un poids atomique d'environ 10,8 et un poids atomique d'environ 19,0, respectivement, le rapport de largeur de balayage sera d'environ /19 e 010,8 Z 0,v 1,76 Z 1933 Dans le cas d'une cible placée au centre de la largeur de balayage, l'ion fluor sera implanté en une plus grande dose que l'ion bore mais si la cible est plac 4 e dans une des régions d'extré- mité de la largeur de balayage, la dose des ions implantés sera inversée* Pour du phosphore P et du fluor F, le rapport de masse est d'environ 1,63 et le rapport de largeur de balayage prend une valeur d'environ 1,28 De cette manière, pour un rapport de masse d'environ 1,6 ou plus, on peut obtenir un rapport de la largeur de balayage d'environ 30 % ou plus. Pour l'arsenic et le fluor, le rapport de masse est d'environ 3,9 et le rapport de largeur de balayage est d'environ 2, ce qui indique qu'un rapport de masse d'environ 4 ou plus assure un rapport de largeur de balayage d'environ 2 ou plus On peut prédire que la dose de fluor implanté sera b peu près divisée par deux si la cible est placée au centre de la largeur de balayage, cela en comparaison de la dose que l'on obtiendrait avec une implantation sans balayage. Les composés halogénés sont corrosifs et difficiles a manipuler Les composés hydrogénés sont moins corrosifs et faciles à manipuler et, en outre, ils présentent un rapport de masse ionique important. Un ion bore monovalent et un ion hydrogène monovalent engendrés tous deux à partir de diborane B 2 H 6 donnent un rapport de masse d'environ 10,8 et un rapport de largeur de balayage d'environ 3,29 Avec ces ions, la dose d'ions hydrogène implantés au centre peut donc être d'environ 1/3 ou moins* Un ion phosphore monovalent et un ion hydrogène monovalent engendrés à partir de phosphure gazeux d'hydrogène PH 3 donnent un rapport de masse d'environ 31 et un rapport de largeur de balayage d'environ 5,6. Avec l'hydrogène arsénié (As H 3), les ions arsenic mono- valents et les ions hydrogène monovalents engendrés à partir 7. de cette substance donnent un rapport de masse d'environ 75 et un rapport de largeur de balayage d'environ b,6 o Avec du phosphure d'hydrogène gazeux et de l'hydrogène arsénié capables de donner un rapport de masse de 25 ou plus, on peut implanter efficacement des ions d'impuretés dans une cible semiconductrice et on peut obtenir que la dose d'ions hydrogène implantés soit d'environ 1/5 ou moins en adaptant la largeur de la cible aux limites de la largeur de balayage d'un ion phosphore monovalent ou d'un ion arsenic monovalent. On peut donc, grâce au balayage de faisceaux d'ions selon la présente invention, atténuer considérablement les défauts engendrés dans le semiconducteur par suite de l'im- plantation d'ions H+ décrite précédemment et, de plus, uniformiser dans la cible la distribution des ions implantés. L'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse facilite l'utilisation d'un courant d'ions important Pour tirer parti efficacement de cet avantage, on peut utiliser de préférence une source d'ions telle qu'une source ionique à micro-ondes capable de fournir facilement un courant d'ions important mais le type de la source d'ions n'est pas limité b celle-ci. Le centre de la largeur de balayage est adapté à une implantation préférentielle d'ions lourds et la périphérie-de la largeur de balayage est adaptée à une implantation préfé- rentielle d'ions légers. On peut effectuer facilement le balayage des faisceaux d'ions au moyen d'un électro-aimant Ce balayage peut être obtenu de diverses manières, par exemple en faisant subir au courant une variation alternative, en superposant un courant continu de polarisation ou en utilisant un courant d'ondes en dents de scie ou d'ondes sinusoïdales. De façon expérimentale, on a soumis à un balayage des faisceaux d'ions à l'aide d'un champ magnétique dans le processus d'implantation d'ions nonsoumis à une analyse de masse et on s'est aperçu que, eu égard à la différence de masse entre un ion P et un ion 11, on pourrait obtenir que la largeur de balayage pour un faisceau d'ions P soit plus grande que pour un faisceau d'ions H et que le rapport entre les doses d'ions P et d'ions H implantés pourraient être une fraction ou moins Avec une dose totale de-P égale à 5 x 1015 cm 2 il est possible de réduire la dose d'ions H jusqu'à X 10 t 4 cm-2, laquelle est si minime que l'on peut négliger l'influence nuisible de l'implantation d'ions Hf sur les caractéristiques de sortie de la batterie solaire O Quand on implante des ions dans un substrat semiconducteur ayant une superficie plus grande que la taille du spot du faisceau, le faisceau balaie le substrat et on peut déplacer de façon continue le substrat dans une direction perpendicu- laire à la direction de balayage du faisceau en pouvant ainsi uniformiser la dose dans la surface du substrat et assurer un traitement continue On va maintenant décrire l'invention à titre d'exemple en se référant à la figure 39 On utilise une cible 8 formée par un substrat de silicium de conductivité p ayant une résistivité de 3 l cm et un appareil d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse, constitué par une source ionique à micro-ondes 1, une section 2 d'aimant de balayage de faisceau, et une chambre d'implantation 3 La source ionique 1 comprend une chambre 4 de génération d'ions et une section d'accélération 5 L'énergie d'accélération est normalement de l'ordre du Ke V ou plus Des aimants sont disposés au-dessus et en dessous par rapport à la feuille du dessin et la cible est déplacée verticalement jusqu'à cette feuille On utilise un gaz à décharge formé par du PH 3, on fait effectuer un balayage au faisceau d'ions de manière que le rapport entre la densité du courant du faisceau non-soumis au balayage et celle du courant du faisceau soumis au balayage soit d'environ 0,6 à 0,7 et on fixe la dose totale à 5 X,1 O 15 cm-2 Comme représenté graphiquement sur la figure 3, la largeur de balayage de l'ion P est désignée par la référence numérique 6 et celle du ion H+ par 7 Le rapport entre la dose totale et la dose d'ion H lorsque ce dernier n'est pas soumis au balayage de faisceau est 0, 2 mais devient 0,1 op moins lorsque l'ion H est soumis au balayage de faisceau Après l'implantation d'ions, on soumet la cible à un recuit dans une atmosphère de gaz sec N 2 a une tempe- rature de 8500 C pour former une jonction n+p* On forme des électrodes sur les surfaces avant et arrière de la cible par impression, et on constitue un film de revêtement anti- réflexion de manière à compléter ainsi une batterie solaire. La batterie solaire ainsi préparée présente un rendement de conversion-de 14 à 14,5 % en présence d'un simulateur solaire A Mi, ce rendement de conversion étant comparable à celui d'une batterie solaire préparée par implantation d'ions soumis à une analyse de masse En d'autres termes, on peut éliminer sensi- blement l'influence de l'implantation d'ions H Le terme AM 1 représente le spectre solaire de la surface terrestre pour des conditions optimales au niveau de la mer, le soleil étant au zénith. Pour une implantation d'ions dans une plaquette d'un diamètre de 100 mm, il faut habituellement 20 à plusieurs dizaines de secondes dans le cas de l'implantation-d'ions soumis à une analyse de masse mais plusieurs secondes dans le cas de l'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse. Ceci revient à dire que l'on peut augmenter la vitesse de traitement de la plaquette et que l'on peut réduire le prix du traitement de la jonction pn Le gaz à décharge formé par un composé d'hyrogène et utilisé dans le présent mode de réalisation peut être manipulé facilement En outre, le balayage appliqué aux faisceaux d'ions à l'aide du champ magnétique réduit la dose d'ions H par rapport à la dose d'ions dopants de sorte que}'on peut négliger l'influence nuisible de l'implantation d'ions H En outre, le balayage de faisceaux est efficace pour uniformiser l'implantation d'ions dans le substrat. On peut simplifier et a baisser le prxix de l 1 appareil d'implantation d'ions qui évite d'lto e l'analyseur de masse, et on peut> réduire I prix -n kaitmi grâce à. l'éliminiation du générateur de néiun ce:5 seaire pour l'analyse de masse Un outr Pz-u, 1 %discz du trajet d Q déplacement du faisoe*,u permet de 'iir La diminution du courant du faisceau au c*urs de za UCe C-t qui augl;ïen Lte l'intensité du courant du fi Lsceraue l Pine 2 P-ç) avantageuse, on peut augmenter la vitesse duî a -cu dlîntto d'ions et on peut réduire Io pnriî d-u - REVENDICATIONS 1 o Procédé d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse, ce procédé utilisant des ions engendrés à partir d'un composé sans sélection d'une seule espèce d'ions et étant caractérisé par le fait qu'il comprend les phases consistant: à engendrer ( 4) des ions à partir d'une source formée par une matière composée; a accélérer ( 5) lesdits ions; à faire effectuer un balayage ( 2) par voie électro- magnétique et de façon répétitive auxdits ions accélérés en vue de les dévier ( 6, 7) dans une direction transversale à une direction d'accélération; et à implanter dans une cible ( 8) des faisceaux desdits ions soumis à un balayage. 2 Procédé d'implantation d'ions non-soumis a une analyse de masse selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits ions comprennent au moins deux espèces d'ions de même polarité dont les masses sont différentes. 3 Procédé d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse selon la que le rapport de est d'environ 1,6 4 Procédé d' de masse selon la que ledit rapport Procédé d' de masse selon la que ledit rapport revendication 2, caractérisé par le fait masse entre'les deux espèces d'ions précitées ou plus. implantation d'ions non-soumis à une analyse revendication 2, caractérisé par le fait de masse est d'environ 3,9 ou plus. implantation d'ions-non-soumis à une analyse revendication,4, caractérisé par le fait de masse est égal à 25 ou plus. 6 Procédé d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite phase de balayage consiste à appliquer un champ magnétique qui varie périodiquement dans une direction perpendiculaire à la direction de déplacement des faisceaux d'ions. 7 Procédé d'implantation d'ions non-soumis à une analyse 12 s de masse selon la revendication 1 l caractérisé par le tait que ledit composé comprend un composé hydrogéné d'un des éléments des groupes III et V. 8 Procédé d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit composéhiydrogéné comprend du phosphure gazeux d'hydrogène ou de l'hydrogène arsénié. 9 rrocédé d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ladite phase de génération d'ions comprend la création d'une décharge dans un plasma. Procédé d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite phase d'accélération comprend l'application d'un champ électrique auxdits ions de manière à appliquer auxditis ions d'une seule polarité une énergie d'accélération de l'ordre d'au moins le Ke V. 1 i Procédé d'implantation d'ions non- soumis à une analyse de masse selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on déplace ladite cible dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction de balayage. 12 Procédé d'implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit composé comprend un composé hydrogéné d'un des éléments des groupes III et Y, les deux espèces d'ions précitées de la même polarité comprennent un ion monovalent dudit élément et un ion monovalent d'hydrogène, et ladite cible est placée dans les limites d'une étendue sur laquelle on fait s'etfectuer un balayage audit ion monovalent dudit élément O 13 Procédé pour fabriquer un dispositif à semiconducteurs, caractérisé par le fait que l'on introduit dans-un substrat semiconducteur par implantation d'ions non-soumis à une analyse de masse une impureté permettant un type de conduc- tivité, on utilise un gaz à décharge formé par un composé hydrogéné de l'impureté pour engendrer ( 4) des faisceaux d'ions, et on fait effectuer aux faisceaux d'ions engendrés un balayage à l'aide d'un champ magnétique ( 2) pour réduire la dose d'ions H par rapport à la dose d'ions de l'impuretéo 14 Procédé pour fabriquer un dispositif à semiconducteurs selon la revendication 13, caractérisé par le fait que ladite Mpureté d'un seul typedeconductivité comprend l'un des éléments As et P,' et que le gaz à décharge contient l'un des composés As RH 3 et PH 3. 15 Procédé pour fabriquer un dispositif à semiconducteurs suivant la revendication 14, caractérisé par le fait que ladite impureté permettant un type de conductivité comprend le phosphore P, la dose totale de P étant 1 x 1015 à 3 X 1016 cm-2 et que l'on fait effectuer un balayage à un ion H à l'aide du champ magnétique pour obtenir une dose de 1 X 1015 cm 2 ou moins.