Brevet FR2701162A1 — publié le 19940805

La présente invention concerne de manière générale la fabrication de composants semi-conducteurs. La fabrication de la plaquette semi-conductrice d'un tel composant comporte classiquement le dépôt épitaxial de couches semiconductrices de compositions de base et de dopages diversifiés. Ces couches se succèdent selon une direction qui sera considérée ci-après, pour faciliter l'exposé, comme verticale ascendante Une structure semi-conductrice formée par ces couches est donc diversifiée verticalement. La présente invention concerne le cas où cette structure doit aussi être diversifiée en plan, c'est-à-dire dans un plan horizontal. Pour cela on peut effectuer des opérations de photolithogravure sur des couches précédemment déposées. Cette invention concerne plus particulièrement le cas où une telle diversification en plan est obtenue par une opération de dopage localisé. Il doit être entendu que l'on entend ci-après par dopage toute opération tendant à introduire dans une couche précédemment déposée un matériau dit "dopant" qui modifiera une propriété importante de cette couche, même alors que sa concentration restera trop faible pour modifier sensiblement la composition de base de cette couche. Cette propriété importante est typiquement le type de conductivité électrique de cette couche, par porteurs de charges positif ou négatif. Mais elle pourrait être aussi, par exemple, une résistivité électrique ou un indice de réfraction. Dans le cadre de la présente invention la concentration d'un tel dopant dans la couche à doper semble devoir rester inférieure à 5.1018 cl~3, quelle que soit la propriété de cette couche que ce dopant doit modifier. La présente invention concerne plus particulièrement encore le cas où un dopage localisé est réalisé par diffusion. Le procédé classique de dopage localisé par diffusion applicable à une couche précédemment déposée en surface d'une structure semi-conductrice consiste à réaliser une diffusion de dopant à partir de la surface de cette structure. Le processus de diffusion dépend d'un certain nombre de paramètres (température, pression, temps de diffusion...). La surface de la structure est partiellement protégée par un écran qui empêche localement la diffusion du dopant et permet donc de réaliser un dopage localisé. La profondeur de dopage et le profil de concentration sont déterminés par des constantes de diffusion dépendant du dopant et du matériau à doper. L'écran utilisé dans ce procédé classique est formé d'abord par dépôt d'un matériau diélectrique imperméable au dopant. On constitue ainsi une couche d'écran. On grave ensuite cette couche pour y percer une fenêtre sur la zone à doper, la partie subsistante de cette couche constituant l'écran. Puis on met en place une source de dopage apte à fournir le dopant et on réalise des conditions de diffusion, comportant typiquement une température de l'ordre de 500 à 600vu, pour faire diffuser le dopant dans la couche à doper à travers la fenêtre de l'écran. La réalisation d'un tel écran diélectrique peut présenter, au cours de la fabrication de certains composants semi-conducteurs, des inconvénients tels que les suivants: - Impossibilité de faire croître une couche épitaxiale sur une couche diélectrique. - Après élimination d'une telle couche, nécessité de réaliser les croissances épitaxiales éventuellement nécessaires en plusieurs étapes d'épitaxie. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients des procédés connus de dopage localisé par diffusion. La présente invention concerne aussi plus particulièrement le cas où un composant semi-conducteur à fabriquer est un laser à ruban enterré. Un tel laser peut constituer un oscillateur ou un amplificateur. Sa structure et un mode de mise en oeuvre de la présente invention pour sa fabrication seront décrits plus loin. Des procédés connus pour sa fabrication comportent, en vue de la réalisation de dopages localisés, des opérations de dépôt épitaxial sélectif. Une telle opération comporte d'abord la réalisation d'un écran de dépôt constitué d'un matériau diélectrique et percé d'une fenêtre. Des conditions favorables au dépôt sélectif d'un matériau semi-conducteur dopé sont ensuite réalisées. Elles sont telles que le dépôt de ce matériau s'effectue dans cette fenêtre et ne se produit pas sur l'écran. Ces opérations de dépôt épitaxial sélectif présentent notamment l'inconvénient de nécessiter des températures de dépôt relativement élevées et de donner difficilement de bons résultats sur des flancs résultant d'une opération précédente de gravure. D'autres procédés connus de fabrication de laser à ruban enterré comportent des dépôts épitaxiaux non sélectifs qui forment non seulement des couches semi-conductrices utiles dans certaines zones mais aussi une saillie parasite sur une autre zone où le dépôt n'est pas souhaité. Des opérations complémentaires sont alors nécessaires pour éliminer cette saillie parasite par une méthode de soulèvement - enlèvement appelée internationalement "lift- off". Ces opérations complémentaires augmentent le coût de la fabrication. La présente invention a notamment aussi.pour but de permettre de fabriquer un laser à ruban enterré à l'aide d'opérations de dépôts épitaxiaux exclusivement non sélectifs, tout en évitant la formation intermédiaire d'une saillie parasite devant être enlevée ultérieurement. Dans ces buts elle a notamment pour objet un procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur, ce procédé comportant un dépôt épitaxial de couches semi-conductrices successives et un dopage localisé d'une telle couche par diffusion d'un dopant à travers une fenêtre d'un écran préalablement formé à cet effet sur la couche à doper, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'on constitue la matière de cet écran par dépôt épitaxial d'un matériau semiconducteur présentant pour ce dopant une solubilité plus forte que le matériau de la couche à doper. A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ci-après comment la présente invention peut être mise en oeuvre, étant entendu que les éléments et dispositions mentionnés et représentés ne le sont qu'à titre d'exemples non limitatifs. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. Les figures 1 à 5 représentent des vues d'une plaquette semi-conductrice à des étapes successives de la fabrication d'un laser à ruban enterré constitué par cette plaquette. En se référant à ces figures on va tout d'abord décrire de manière générale un procédé applicable à la fabrication de composants semi-conducteurs. Les composants considérés ici nécessitent la réalisation d'un dopage localisé mais ils peuvent par ailleurs être de diverses natures, seule la description des opérations nécessaires à la réalisation de ce dopage étant détaillée. Ce procédé comporte diverses étapes connues qui sont les suivantes: - Réalisation d'une base monocristalline semi-conductrice. Sur la figure 3 cette base est constituée des couches 2, 4, 7, 9, 10. - Dépôt épitaxial sur cette base d'une couche à doper localement 12 constituée d'un matériau semi-conducteur. Un dopage de cette couche doit être réalisé par un dopant de localisation dans une zone à doper Z1, et il doit être évité dans une zone à protéger Z2, Z3. - Formation d'une couche d'écran 20 sur cette couche à doper localement par dépôt d'un matériau d'écran. Ce matériau est choisi pour que cette couche d'écran s'oppose à une diffusion du dopant de localisation sous cette couche à partir d'une source située au-dessus de cette couche. - Gravure de la couche d'écran 20 pour y percer une fenêtre de diffusion F sur la zone à doper Z1. (voir figure 4). La partie subsistante de cette couche d'écran constitue un écran de diffusion 21. - Mise en place d'une source de dopage de localisation 22 (voir figure 5) apte à fournir le dopant de localisation, au-dessus de l'écran de diffusion 21. - Enfin réalisation de conditions de diffusion appropriées pour faire diffuser le dopant de localisation dans la couche à doper localement 12 à partir de cette source à travers la fenêtre de diffusion F. Selon la présente invention l'étape de formation d'une couche d'écran 20 est réalisée par dépôt épitaxial d'un matériau d'écran semi-conducteur présentant, pour le dopant de localisation, une solubilité supérieure à celle présentée par le matériau de la couche à doper localement 12. De préférence cette solubilité est au moins égale au double de celle offerte à ce dopant par le matériau de la couche à doper localement 12. Dans le cas où le matériau à doper 12 est un alliage binaire de corps des colonnes III et V de la table de Mendeleïeff, le matériau d'écran 21 est par exemple un alliage ternaire ou quaternaire de corps de ces mêmes colonnes. De préférence la source de dopage est réalisée par dépôt épitaxial, sur l'écran de diffusion 21, d'une couche de source 22 constituée d'un matériau de source semiconducteur incluant le dopant de localisation. La concentration de ce dopant dans cette couche de source doit être considérablement plus élevée que celle qui doit être finalement obtenue dans la couche à doper localement. on va maintenant décrire un mode de mise en oeuvre du procédé qui a été précédemment décrit de manière générale. Ce mode concerne le cas où le composant semi-conducteur à fabriquer est un laser à ruban enterré. Ce procédé comporte alors les opérations connues suivantes: - Réalisation d'un substrat monocristallin 2 portant en continuité cristalline une couche de confinement inférieure 4 incluant un dopant d'un premier type de conductivité n (voir figure 1). - Dépôt épitaxial sur cette couche de confinement inférieure 4 d'une couche active 6 constituée d'un matériau actif c'est-à-dire propre à amplifier une lumière laser par recombinaison de porteurs de charges de types opposés injectés dans ce matériau. - Dépôt épitaxial sur cette couche active d'une couche de confinement supérieure 8 incluant un dopant d'un deuxième type de conductivité p opposé au premier. - Gravure de ruban pour éliminer la couche de confinement supérieure 8, la couche active 6 et au moins une partie de l'épaisseur de la couche de confinement inférieure 4 dans deux zones latérales Z2, Z3 s'étendant de part et d'autre d'une zone de ruban allongée Z1 (voir figure 2). Cette zone de ruban est allongée selon une direction longitudinale perpendiculaire au plan de la figure. Après cette gravure la partie de la couche active 6 subsistant dans la zone de ruban constitue un ruban laser 7 formant un plateau 7, 9 avec la partie 9 de la couche de confinement supérieure subsistant sur ce ruban laser. Ce plateau se raccorde par deux flancs de plateau Fl, F2 à deux vallées yl, V2 formées dans ces deux zones latérales, respectivement. - Dépôt épitaxial d'une couche de blocage inférieure 10 sur ce plateau, ces flancs de plateau Fl, F2 et ces vallées V1, V2 (voir figure 3). Cette couche inclue un dopant du deuxième type de conductivité p. Les matériaux des couches de confinement inférieure 4 et supérieure 8 et de cette couche de blocage inférieure présentent des indices de réfraction inférieurs à celui du matériau actif pour que le ruban laser 9 constitue un guide pour la lumière laser. - Dépôt épitaxial, sur cette couche de blocage inférieure 10, d'une couche de blocage supérieure 12 incluant un dopant du premier type de conductivité n de sorte que l'interface entre ces deux couches constitue une jonction bloquante B. - Enfin mise en place d'une électrode inférieure 14 sous le substrat 2 et d'une électrode supérieure 16 au-dessus des couches et parties de couches portées par ce substrat (voir figure 5). Ces électrodes sont formées au contact de couches de contacts ternaires à fort dopage non représentées. Elles ont pour fonction de permettre de faire passer entre elles un courant d'alimentation électrique d'un sens direct, ce sens direct étant celui qui permet à ce courant d'injecter lesdits porteurs de charges de types opposés dans le ruban laser 9 à partir des couches de confinement inférieure 4 et supérieure 9.Or le passage d'un courant dans ce sens est bloqué par la jonction bloquante B dans les zones où cette jonction existe, alors que, pour le fonctionnement du laser il est nécessaire que ce courant d'alimentation passe dans la zone de ruban Z1, la jonction bloquante étant formée seulement pour bloquer ce courant dans les zones latérales Z2 et Z3. C'est pourquoi le procédé doit comporter des opérations de limitation de jonction bloquante pour limiter la jonction bloquante B à ces zones latérales. De telles opérations constituent en fait des opérations de dopage localisé. Comme précédemment indiqué elles pourraient comporter, selon des procédés connus pour la fabrication de tels lasers, des dépôts épitaxiaux sélectifs, ou des opérations d'enlèvement d'une saillie parasite formée dans la zone de ruban par des dépôts épitaxiaux non sélectifs. Selon la présente invention la couche de blocage supérieure 12 est déposée par une méthode de dépôt non sélective, c'est-à-dire non seulement dans les zones latérales Z2 et Z3 mais aussi dans la zone de ruban Z1. Il en résulte que la jonction bloquante B est alors formée dans l'ensemble de ces zones, et que lesdites opérations de limitation de jonction bloquante doivent limiter ultérieurement l'étendue initialement excessive de cette couche.Ces opérations sont les suivantes: - Dépôt d'une couche d'écran 20 sur la couche de blocage supérieure 12 (voir figure 3). Ce dépôt est épitaxial, cette couche d'écran étant celle qui a été précédemment mentionnée et cette couche de blocage supérieure constituant la couche à doper localement précédemment mentionnée. Le matériau d'écran constituant cette couche d'écran 20 présente, pour un dopant du deuxième type de conductivité, une solubilité supérieure à celle présentée par le matériau de la couche de blocage supérieure, ce dopant constituant ledit dopant de localisation. - Gravure de la couche d'écran 20 (voir figure 4) pour y former la fenêtre de diffusion F dans la zone de ruban Z1. Cette zone de ruban constitue ladite zone à doper, les zones latérales Z2 et Z3 constituant ladite zone à protéger. Les parties de cette couche d'écran subsistant dans ces zones latérales constituent l'écran de diffusion 21. Cette gravure est réalisée à l'aide d'une solution d'attaque sélective à laquelle le matériau de la couche de blocage supérieure 12 est résistant. - Dépôt épitaxial d'une couche de source 22 incluant le dopant de localisation (voir figure 5). Cette couche de source s'étend sur l'écran de diffusion 21 et sur la couche de blocage supérieure 12 dans la fenêtre F. - Enfin diffusion du dopant de localisation. Cette opération comporte la réalisation de conditions de diffusion telles que le dopant de localisation diffuse à partir de la couche de source 22. Dans les zones latérales Z2, Z3 ce dopant diffuse vers l'écran 21 où il reste inclus dans le matériau d'écran sans atteindre sensiblement la couche de blocage supérieure 12. Au contraire dans la zone de ruban Z1, ce dopant diffuse directement vers cette couche de blocage supérieure. La concentration de ce dopant dans la couche de source est choisie suffisante pour que la fraction de ce dopant qui diffuse dans cette couche de blocage supérieure dans cette zone de ruban Z1 y fasse passer cette couche du premier type au deuxième type de conductivité. Cette diffusion fait ainsi disparaître la jonction bloquante B dans cette zone de ruban. De préférence on forme la couche d'écran 20 par dépôt d'un matériau d'écran incluant un dopant de sécurité du premier type de conductivité n pour qu'une fraction de ce dopant de sécurité diffuse dans la couche de blocage supérieure 12 dans les zones latérales Z2 et Z3 lors de l'opération de diffusion du dopant de localisation. La concentration de ce dopant de sécurité dans ce matériau d'écran est choisie suffisante pour que cette fraction de ce dopant évite le risque qu'une fraction parasite du dopant de localisation puisse inverser le type de conductivité de cette couche de blocage supérieure dans ces zones en diffusant jusque dans cette couche à travers l'écran 21. A titre d'exemple les couches de confinement et de blocage précédemment mentionnées sont constituées de phosphure d'indium InP. Le dopant de localisation est alors de préférence le beryllium Be.Le matériaux actif et d'écran comportent en outre au moins un corps du groupe constitué par le gallium Ga et l'arsenic As. Ce matériau d'écran est de préférence en alliage quaternaire InGaAsP présentant une largeur de bande interdite correspondant à une longueur d'onde, par exemple 1180ni, différente de celle du matériau actif, par exemple 1550nm. Le dopage initial de ce matériau d'écran est par exemple de n = 2.1018 cl~3. La présente invention permet une réalisation facile de dépôts épitaxiaux de bonne qualité grâce au fait que ces dépôts ne sont pas sélectifs. Elle permet, lors de l'opération de gravure de ruban pour la fabrication d'un laser à ruban enterré, de n'effectuer qu'une gravure relativement peu profonde, de 0,5 à 1 ym. Elle peut être appliquée à la limitation de jonctions bloquantes de types n/p ou p/n aussi bien qu'à celle de couches bloquantes semiisolantes. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur, ce procédé comportant un dépôt épitaxial de couches semiconductrices successives et un dopage localisé d'une telle couche par diffusion d'un dopant à travers une fenêtre (F) d'un écran (21) préalablement formé à cet effet sur la couche à doper, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'on constitue la matière de cet écran (21) par dépôt épitaxial d'un matériau semi-conducteur présentant pour ce dopant une solubilité plus forte que le matériau de la couche à doper. 2/ Procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur, ce procédé comportant les étapes suivantes: - réalisation d'une base monocristalline semi-conductrice (2, 4, 7, 9, 10), - dépôt épitaxial sur cette base d'une couche à doper localement (12) constituée d'un matériau semi-conducteur, un dopage de cette couche devant être réalisé par un dopant de localisation dans une zone à doper (Z1), ce dopage devant être évité dans une zone à protéger (Z2, Z3), - formation d'une couche d'écran (20) sur cette couche à doper localement par dépôt d'un matériau d'écran propre à empecher ledit dopant de localisation de traverser cette couche d'écran, - gravure de ladite couche d'écran (20) pour y percer une fenêtre de diffusion (F) sur ladite zone à doper (Z1), une partie subsistante de cette couche d'écran constituant un écran de diffusion (21), - mise en place d'une source de dopage de localisation (22) apte à fournir ledit dopant de localisation au-dessus dudit écran de diffusion (21), - et réalisation de conditions de diffusion pour faire diffuser ledit dopant de localisation dans ladite couche à doper localement (12) à partir de cette source à travers ladite fenêtre de diffusion (F), ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite étape de formation d'une couche d'écran (20) est réalisée par dépôt épitaxial d'un matériau d'écran semi-conducteur présentant, pour ledit dopant de localisation, une solubilité supérieure à celle présentée par le matériau de ladite couche à doper localement (12). 3/ Procédé selon la revendication 2 dans lequel ledit matériau d'écran (21) offre au dit dopant de localisation une solubilité au moins égale au double de celle offerte à ce dopant par ledit matériau de la couche à doper localement (12). 4/ Procédé selon la revendication 3, dans lequel ledit matériau à doper (12) est un alliage semi-conducteur binaire de corps des colonnes III et V de la table de Mendeleïeff et ledit matériau d'écran (21) est un alliage au moins ternaire de corps de ces mêmes colonnes. 5/ Procédé selon la revendication dans lequel ladite source de dopage est réalisée par dépôt épitaxial, sur ledit écran de diffusion (21), d'une couche de source (22) constituée d'un matériau de source semi-conducteur incluant ledit dopant de localisation. 6/ Procédé selon la revendication 2, ledit composant semiconducteur à fabriquer étant un laser à ruban enterré, ce procédé comportant les opérations suivantes: - réalisation d'un substrat monocristallin (2) portant en continuité cristalline une couche de confinement inférieure (4) incluant un dopant d'un premier type de conductivité (n), - dépôt épitaxial sur cette couche de confinement inférieure (4) d'une couche active (6) constituée d'un matériau actif propre à amplifier une lumière laser par recombinaison de porteurs de charges de types opposés injectés dans ce matériau, - dépôt épitaxial sur cette couche active d'une couche de confinement supérieure (8) incluant un dopant d'un deuxième type de conductivité (p) opposé au premier, - gravure de ruban pour éliminer ladite couche de confinement supérieure (8), ladite couche active (6) et au moins une partie de l'épaisseur de ladite couche de confinement inférieure (4) dans deux zones latérales (Z2, Z3) s'étendant de part et d'autre d'une zone de ruban allongée (ZI), grâce à quoi la partie de cette couche active (6) subsistant dans cette zone de ruban constitue un ruban laser (7) formant un plateau (7, 9) avec la partie (9) de cette couche de confinement supérieure subsistant sur ce ruban laser, ce plateau se raccordant par deux flancs de plateau (F1, F2) à deux vallées (V1, V2) formées dans ces deux zones latérales, respectivement, - dépôt épitaxial d'une couche de blocage inférieure (10) sur ce plateau, ces flancs de plateau (F1, F2) et ces vallées (V1, V2), cette couche incluant un dopant dudit deuxième type de conductivité (p), les matériaux desdites couches de confinement inférieure et supérieure et de cette couche de blocage inférieure présentant des indices de réfraction inférieurs à celui dudit matériau actif pour que ledit ruban laser (9) constitue un guide pour ladite lumière laser, - dépôt épitaxial, sur cette couche de blocage inférieure (10), d'une couche de blocage supérieure (12) incluant un dopant dudit premier type de conductivité (n) de sorte que l'interface entre ces deux couches constitue une jonction bloquante (B), - et mise en place d'une électrode inférieure (14) sous ledit substrat (2) et d'une électrode supérieure (16) audessus des couches et parties de couches portées par ce substrat, pour permettre de faire passer entre ces électrodes un courant d'alimentation électrique d'un sens direct, ce sens direct étant celui qui permet à ce courant d'injecter lesdits porteurs de charges de types opposés dans ledit ruban laser (9) à partir desdites couches de confinement inférieure (4) et supérieure (9), de sorte que le passage de ce courant dans ce sens est bloqué par ladite jonction bloquante (B) dans chaque zone où cette jonction existe, - des opérations de ce procédé constituant des opérations de limitation de jonction bloquante pour limiter ladite jonction bloquante (B) auxdites zones latérales (Z2, Z3), grâce à quoi le passage dudit courant d'alimentation est possible seulement dans ladite zone de ruban (Z1), - ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite couche de blocage supérieure (12) est déposée non seulement dans lesdites zones latérales (Z2, Z3) mais aussi dans ladite zone de ruban (Z1) de sorte que ladite jonction bloquante (B) est d'abord formée dans l'ensemble de ces zones, - lesdites opérations de limitation de jonction bloquante étant constituées par les opérations suivantes: - dépôt épitaxial de ladite couche d'écran (20) sur ladite couche de blocage supérieure (12), cette couche de blocage supérieure constituant ladite couche à doper localement (12), ledit matériau d'écran constituant cette couche d'écran (20) présentant, pour un dopant dudit deuxième type de conductivité, une solubilité supérieure à celle présentée par ce matériau à doper localement, ce dopant constituant ledit dopant de localisation, - gravure de ladite couche d'écran pour y former ladite fenêtre de diffusion (F) dans ladite zone de ruban (Z1), cette zone de ruban constituant ladite zone à doper, lesdites zones latérales (Z2, Z3) constituant ladite zone à protéger, les parties de cette couche d'écran subsistant dans ces zones latérales constituant ledit écran de diffusion (21), cette gravure étant réalisée à l'aide d'une solution d'attaque sélective à laquelle ledit matériau à doper localement (12) est résistant, - dépôt épitaxial, sur ledit écran de diffusion (21) et sur ladite couche de blocage supérieure (12) dans ladite fenêtre (F), d'une couche de source (22) incluant ledit dopant de localisation, - et diffusion de ce dopant de localisation à partir de cette couche de source (22) grâce à quoi, dans lesdites zones latérales (Z2, Z3), ce dopant diffuse vers ledit écran (21) où il reste inclus dans ledit matériau d'écran sans atteindre sensiblement ladite couche de blocage supérieure (12) et, dans ladite zone de ruban (Z1), ce dopant diffuse directement vers cette couche de blocage supérieure, la concentration de ce dopant dans la couche de source étant choisie suffisante pour que la fraction de ce dopant qui diffuse dans cette couche de blocage supérieure dans cette zone de ruban (Z1) y fasse passer cette couche dudit premier type audit deuxième type de conductivité de manière à y faire disparaître ladite jonction bloquante (B). 7/ Procédé selon la revendication 6 dans lequel on forme ladite couche d'écran (20)par dépôt d'un matériau d'écran incluant un dopant de sécurité dudit premier type de conductivité (n) pour qu'une fraction de ce dopant de sécurité diffuse dans ladite couche de blocage supérieure (12) dans lesdites zones latérales (Z2, Z3) lors de ladite opération de diffusion du dopant de localisation, la concentration de ce dopant de sécurité dans ce matériau d'écran étant choisie suffisante pour que cette fraction de ce dopant évite le risque qu'une fraction parasite dudit dopant de localisation puisse inverser le type de conductivité de cette couche de blocage supérieure dans ces zones en diffusant jusque dans cette couche à travers ledit écran (21). 8/ Procédé selon la revendication 6 dans lequel lesdites couches de confinement et de blocage sont constituées de phosphure d'indium InP, lesdits matériaux actif et d'écran comportant en outre au moins un corps du groupe comportant le gallium (Ga) et l'arsenic (As), ledit dopant de localisation étant le beryllium (Be).