Brevet FR2747402A1 — publié le 19971017

FOUR A DIFFUSION L'invention a pour objet un four à diffusion, pour le dopage de plaquettes de semi-conducteur. Pour fabriquer des dispositifs à semi-conducteur, des couches dopées de type n ou p sont réalisées dans un substrat semi-conducteur. Ces couches dopées peuvent être obtenues selon différentes techniques, dont l'une est la diffusion d'impuretés à haute température. La technique de diffusion est notamment utilisée pour du silicium. Les plaquettes de semi-conducteur placées dans le four sont exposées à haute température (8000C à 11000C) à un flux gazeux à faible pourcentage de dopants, en sorte d'obtenir la limite de solubilité solide dans le semi-conducteur. Ce flux gazeux est obtenu à partir d'un gaz neutre porteur et d'une source de dopants (qui peut-être liquide, solide ou gazeuse). Dans l'invention, on s'intéresse plus particulièrement à un four de diffusion utilisant une source de dopant liquide. Par exemple, pour obtenir une couche de type N, on utilise une solution de POCL3 dans un barboteur, dans lequel on fait passer un gaz porteur, de l'azote, puis on ajoute de l'oxygène. La réaction chimique donne un dopant P205 et du chlore. Un four à diffusion de l'état de la technique est représenté sur la figure 1. Les débits de l'oxygène et de l'azote porteur sont réglés par des contrôleurs de débit (Mass Flow Controler) MFC1 et MFC2. Il comprend un tube à quartz 1 que l'on dispose à l'intérieur d'un enroulement de chauffage 2. Le flux gazeux de dopage est envoyé par une extrémité A du tube, formant le fond du tube. Les plaquettes 3 de semi-conducteur sont chargées par l'autre extrémité B, à l'entrée du tube. Cette entrée est ensuite fermée par une porte 4. Une ouverture S dans cette porte permet la sortie des gaz. Un tel four opère à pression atmosphérique. Le fond A du tube débouche en pratique dans une armoire de réglage, à l'arrière du bâti du four. L'entrée B du tube par laquelle sont entrées les plaquettes se situe côté salle blanche. Ce qui est important dans cette opération, c'est l'homogénéité de la répartition des dopants dans tout le volume du tube, pour obtenir une diffusion homogène sur l'ensemble des plaquettes 3. Cette dilution homogène est en pratique obtenue en utilisant une grande quantité de gaz porteur (N2) qui dilue de façon homogène les dopants en créant une sorte de surpression dans le tube. Un tel four est bien connu. Il permet d'obtenir de bons résultats pour des petites plaquettes (inférieures à cinq pouces). Pour des plaquettes plus grandes, on constate une dispersion des caractéristiques des dopages. En effectuant des mesures de dopage sur plusieurs plaquettes selon qu'elles sont à l'entrée au milieu ou au fond du tube et en différents points des plaquettes, on constate des écarts de dopage allant jusqu'à 10% pour des plaquettes de cinq pouces et jusqu'à 20% pour des plaquettes de six pouces. Ceci n'est pas acceptable. Pour ces plaquettes, il faudrait donc utiliser plutôt un procédé d'implantation ionique, qui permet un contrôle et une reproductibilité excellents du dopage. Mais l'équipement nécessaire est compliqué et coûteux et ne permet de traiter que peu de plaquettes à la fois. C'est donc un procédé coûteux qui ne se justifie par exemple que pour des tailles de plaquettes très grandes (à partir de huit pouces). Dans l'invention, on a cherché à améliorer la technique de diffusion, notamment pour les plaquettes comprises entre cinq et huit pouces. Un four de diffusion du type four à vide a alors été proposé, comme représenté sur la figure 2. Le système de fermeture 4 a été complété avec un joint d'étanchéité j, qui vient s'appuyer sur un épaulement intérieur 6 réalisé à l'extrémité B du tube. Une canne d'aspiration 5 des gaz passant par le fond A du tube et débouchant vers l'extrémité B du tube permet l'aspiration des gaz par une pompe 7, qui pompe aussi une quantité déterminée d'un gaz neutre de régulation (N2). C'est la technique standard dite de régulation à vide par gavage de la pompe. En effet, dans un tel four, il faut pomper la quantité de flux envoyé dans le four, pour maintenir une pression constante dans le four. Or le débit du flux gazeux est faible. On pompe donc en parallèle un gaz de régulation (N2), pour arriver au débit d'aspiration de la pompe. Le débit de l'azote de régulation est contrôlé par un contrôleur de débit MFC3, asservi par l'écart entre une consigne de pression K1 et une mesure de la pression dans le tube 1. Cette mesure est réalisée par un capteur placé à l'extérieur du tube 1, sur la canne d'aspiration 5 (le capteur ne tiendrait pas la haute température à l'intérieur du tube). Des problèmes particuliers à l'application visée, c'est à dire la diffusion d'impuretés dans un substrat semiconducteur, sont apparus par rapport aux applications habituelles des fours à vide, comme par exemple, le dépôt de polysilicium. En effet, l'opération de dopage utilise des gaz dangereux et corrosifs. Dans l'exemple du dopage au phosphore, du fait de la présence d'humidité dans le four ( entrée d'air ambiant quand on met les plaquettes dans le tube), on obtient du HCl et du H3PO4 particulièrement corrosifs. Un pot de décantation 8 a donc été placé avant la pompe 7, pour condenser une partie de ces gaz. Et l'azote de régulation de la pompe permet aussi de les diluer. De plus, au lieu des pompes en métal habituelles qui ne dureraient que quelques jours, c'est une pompe plastique en téflon qui est utilisée dans ce four. Les pompes plastiques ont une capacité d'aspiration moindre que les pompes métalliques habituellement utilisées. Mais elles conviennent bien pour l'opération de diffusion, pour laquelle il ne faut pas avoir un vide trop poussé dans le tube, sinon la diffusion n'a pas le temps de se produire. Il s'agit plutôt de maintenir une basse pression, pour que le flux gazeux mette un certain temps à traverser tout le tube. Pour avoir une meilleure répartition du dopant à l'intérieur du four à basse pression, le four proposé comprend à l'extrémité A du tube, deux arrivées pour le flux gazeux avec injecteurs. L'injecteur est un petit cylindre en quartz résistant à haute température. La première arrivée comprend un injecteur 9 placé au niveau de l'extrémité A du tube. Il reçoit un mélange d'oxygène et d'azote porteur chargé en dopant. Dans l'exemple avec du phosphore, cela doit donner dans le four du dopant P205 et du chlore. Mais dans ce système, ce mélange est contrôlé pour ne pas contenir suffisamment d'oxygène, de manière à ne pas consommer tout le dopant. La deuxième arrivée comprend un autre injecteur 10 dont l'orifice débouche sensiblement au milieu du tube, pour diffuser seulement de l'oxygène. Avec cet apport au milieu de tube, on crée à nouveau du P205 avec le POCl3 non encore consommé. Cependant en pratique, un tel four à basse pression à gavage de pompe et injecteurs n'a pas permis d'améliorer suffisamment les résultats. On a en effet mesuré en pratique des écarts de dopage de 12 à 20% pour des plaquettes de six pouces. Mais ces écarts ont été principalement observés sur les plaquettes situées du côté de l'extrémité B du tube, loin du deuxième injecteur. En outre, en faisant des recherches plus poussées avec de nombreux tests et mesures pour arriver à déterminer pourquoi le dopage était moins bon pour les plaquettes situés vers l'extrémité B du tube, on a découvert qu'il y avait de l'azote de régulation (ou de gavage) de la pompe qui arrivait à remonter par la canne d'aspiration 5 dans le tube 1, provoquant de ce fait une dilution du dopant dans cette partie du tube. Ceci a pu s'expliquer par le fait que les pompes plastiques utilisées n'avait pas une aspiration suffisante, et permettaient une telle remontée d'azote dans le tube, problème qui n'apparait pas avec les pompes à vide habituellement utilisées pour faire un vide poussé, par exemple pour faire du dépôt de polysilicium. Une solution à ces problèmes pouvait consister à amener l'orifice du deuxième injecteur plus vers l'extrémité B du tube, pour y faire l'apport de dopant nécessaire. Cette solution n'est pas apparue comme satisfaisante. En effet, lors des essais, on a aussi pu constater des fuites au niveau des injecteurs. En effet les raccords 11 et 12, nécessaires pour relier les tuyaux en téflon d'arrivée de gaz et les cylindres en quartz des injecteurs, présentent des défauts d'étanchéité à basse pression, laissant de l'air ambiant entrer dans le tube 1. Or il est très important de maintenir une pression constante à l'intérieur du tube. En outre, l'utilisation des injecteurs nécessite en pratique un réglage délicat de leur position dans le tube, ce qui ne permet pas d'avoir des résultats vraiment reproductibles. Dans l'invention, on a donc cherché à résoudre le problème de dilution uniforme des dopants dans le four d'une autre manière. Un objet de l'invention est un four de diffusion à basse pression comprenant un dispositif capable de réguler précisément la pression dans le four en évitant toute rentrée d'azote. Un autre objet de l'invention est un four de diffusion à basse pression n'utilisant pas d'injecteurs, pour supprimer les problèmes de réglage de position et de raccord hermétique. Dans l'invention, on utilise un dispositif de vanne de restriction placée en entrée de la pompe, pour faire varier la capacité de pompage de la pompe en fonction du débit de gaz envoyé dans le tube et de la pression que l'on veut avoir dans ce tube. De cette manière, on contrôle précisément la pression dans le tube 1, sans avoir recours ni aux injecteurs, ni à un gaz de régulation de la pompe. Telle que revendiquée, l'invention concerne donc un four à diffusion à basse pression pour le dopage de plaquettes de matériau semi-conducteur utilisant une source de dopant liquide, comprenant un tube chauffé dans lequel sont disposées les plaquettes, avec à une extrémité du tube une arrivée de flux gazeux de dopage et une canne d'aspiration débouchant vers l'autre extrémité B du tube et reliée à une pompe. Selon l'invention, des moyens de régulation de la pression sont prévus pour asservir la pression dans le tube à une consigne en pression au moyen d'une vanne de restriction en entrée de la pompe. Un autre problème est apparu avec l'utilisation d'un four à basse pression. En effet, au démarrage du four, la dépression crée dans le tube par la pompe, aspire la source de dopant, créant une dépression dans le barboteur (bouteille) avec un risque d'implosion. Une solution à ce problème a été trouvée dans l'invention, en plaçant un système de régulation de la pression entre la sortie du barboteur et l'entrée dans le tube, permettant de maintenir le barboteur à une consigne de pression. De cette manière le barboteur est toujours maintenu isolé de la basse pression du tube. Un autre problème est apparu dans la réalisation de l'épaulement 6 du joint d'étanchéité. En effet, l'épaulement réalisé à l'intérieur du tube, diminue l'ouverture du tube à cette extrémité, comme montré sur la figure 2. En pratique, cela gêne le passage des plaquettes sur le chargeur. La solution à ce problème technique a été de modifier le plan du tube pour permettre de réaliser cet épaulement sans réduire le diamètre d'entrée du tube, avec une forme arrondie de l'épaulement pour empêcher qu'il ne vienne pas buter contre l'enroulement de l'élément chauffant dans lequel est inséré le tube, par l'extrémité A. Avantageusement, cet épaulement a été réalisé en quartz dépoli, pour permettre en outre d'isoler thermiquement le joint de l'intérieur du tube. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont présentés dans la description jointe, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un four à diffusion à pression ambiante de l'état de la technique, - la figure 2 représente schématiquement un four à diffusion à basse pression à gavage de pompe de l'état de la technique et - la figure 3 représente schématiquement un four à diffusion à basse pression selon l'invention. On notera que les éléments communs aux différentes figures portent les mêmes références. Le four à diffusion selon l'invention comprend un tube à quartz 1 dans lequel sont chargées, par l'entrée B du tube (porte 4 ouverte), des plaquettes sur un chargeur (non représentés ici). Au fond A du tube 1, débouche une arrivée 13 de flux gazeux. Le dispositif d'alimentation du flux gazeux comprend une arrivée d'oxygène contrôlée par un régulateur de débit MFC1 (Mass Flow Controler). Il comprend aussi une arrivée d'azote porteur contrôlée par un autre régulateur de débit MFC2. Cet azote porteur est envoyé dans un barboteur contenant du POCl3. De l'azote chargé en POCl3 sort de ce barboteur pour être mélangé à de l'oxygène et envoyé dans le tube 1. Une canne d'aspiration 5 débouchant vers l'extrémité B du tube 1, permet à une pompe plastique 7 d'aspirer les gaz. La canne d'aspiration passe par un pot de décantation 8 pour condenser une partie des gaz aspirés, puis par un système de régulation de la pression 14 placé en entrée de la pompe. Ce régulateur selon l'invention comprend une vanne de restriction 15. On utilise par exemple une vanne du commerce commandée en courant, et qui comprend des bobines pour créer un champ magnétique permettant de positionner une vanne métallique. En obstruant plus ou moins l'entrée de la pompe, on règle ainsi la capacité de pompage. La régulation se fait à partir de la mesure de la pression dans le tube 1 par un capteur 16 prévu à cet effet, placé sur la canne d'aspiration à l'extérieur du tube 1. Cette mesure est comparée à une consigne Kp1 (réglée par un opérateur). La vanne de restriction étant un dispositif métallique, ce régulateur de pression 14 comprend en outre des moyens de chauffage 17 autour de la vanne de restriction. En pratique, on chauffe ainsi à une température d'au moins 40"C, ce qui permet d'éliminer localement toute condensation éventuelle. De cette manière on empêche les gaz corrosifs d'attaquer la vanne de restriction. Avantageusement, on prévoit en outre un système de purge à l'azote du dispositif de régulation 14, pour éliminer tous les gaz quand l'opération de diffusion est arrêtée. On prévoit donc une vanne vl en amont du régulateur et une vanne v2 en aval du régulateur. La première vanne vl permet d'envoyer l'azote de purge et la deuxième vanne v2 permet l'évacuation des gaz. De préférence, pour empêcher tous risques d'implosion du barboteur contenant la source de dopant liquide, un régulateur de pression 18 est en outre prévu entre le barboteur et le tube 1, pour maintenir la source de dopant liquide à une consigne de pression Kp2. Ce régulateur ouvre plus ou moins une vanne (non représentée), en fonction de l'écart de pression entre le barboteur et le tube, afin de garder la pression dans le barboteur à la consigne de pression Kp2 (positionnée par un opérateur). Le système de régulation 18 comprend donc un capteur de la pression du barboteur, un capteur de la pression du tube, des moyens de comparaison de la pression du barboteur avec la consigne, et de la pression du barboteur avec la pression du tube, pour commander en conséquence la vanne. Avantageusement un système de purge à l'azote au moyen de vannes v3 et v4, ainsi qu'un système de chauffage est prévu en combinaison avec le système de régulation 18, pour améliorer la durée de vie des différentes pièces métalliques utilisées. Enfin, pour que le tube soit étanche, un joint j est prévu entre la porte et l'entrée du tube. L'entrée du tube comprend pour cela un épaulement 6 faisant saillie sur la face externe du tube, de manière à avoir un diamètre d'entrée suffisant pour laisser passer les plaquettes et leur chargeur. On a ainsi un décroché par rapport à la face externe du tube, avec un retour à angle droit 6a pour le côté d'appui du joint et une forme arrondie 6b de l'autre côté pour rattraper la surface du tube, de manière à empêcher que l'épaulement ne vienne buter contre l'enroulement de chauffage du four, dans lequel est placé le tube (par le fond A). Cet épaulement est de préférence en quartz dépoli, pour isoler thermiquement le joint. La description du four selon l'invention a été faite en relation avec une application pour un dopage au phosphore. Il s'applique aux différentes sources liquides de dopants de type N ou P utilisés, ainsi qu'aux différents types de semi-conducteurs. REVENDICATIONS 1. Four à diffusion à basse pression pour le dopage de plaquettes de matériau semi-conducteur utilisant une source de dopant liquide, comprenant un tube (1) chauffé dans lequel sont disposées les plaquettes, avec une arrivée de flux gazeux de dopage à une extrémité (A) du tube et une canne d'aspiration (5) débouchant vers l'autre extrémité (B) du tube, ladite canne étant reliée à une pompe (7), caractérisé en ce que des moyens de régulation de la pression (14) sont prévus pour asservir la pression dans le tube à une consigne en pression (Kp1) au moyen d'une vanne de restriction (15) placée en entrée de la pompe. 2. Four à diffusion selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne de restriction (15) est entourée d'un moyen de chauffage (17) pour éliminer toute condensation en fonctionnement. 3. Four à diffusion selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de purge à l'azote dudit régulateur de pression (14), au moyen de vannes (vl, v2) placées en amont et en aval dudit régulateur. 4. Four à diffusion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un régulateur de pression (18) est placé entre la source de dopant liquide et le tube, pour isoler en pression ladite source. 5. Four à diffusion selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit régulateur pour isoler la source de dopant liquide comprend des moyens de chauffage, pour éviter toute condensation. 6. Four à diffusion selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de purge à l'azote au moyen de vannes (v3, v4) placées en amont et en aval dudit régulateur pour isoler la source de dopant liquide. 7. Four à diffusion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entrée du tube comprend un épaulement (6) de joint de avec un décroché faisant saillie sur la face externe du tube, avec un retour à angle droit d'un côte, pour recevoir le joint et une forme arrondie de l'autre côté pour rattraper la surface du tube. 8. Four à diffusion selon la revendication 7, caractérisé en ce que cet épaulement est réalisé en quartz dépoli pour isoler thermiquement le joint.