Brevet FR2962849A1 — publié le 20120120

Procédé de dopage d'un matériau semi-conducteur Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un procédé de dopage d'un matériau semi-conducteur. 10 État de la technique Dans le domaine de l'électronique et du photovoltaïque, il est important de contrôler la quantité d'impuretés dopantes présente à l'intérieur de la matrice cristalline d'un matériau semi-conducteur. 15, Devant la difficulté à réaliser un matériau semi-conducteur comportant les concentrations voulues en impuretés électriquement actives, l'industrie a choisi de les éliminer afin d'obtenir des matériaux très faiblement dopés. Une fois que le matériau est débarrassé de ces impuretés, il est mis en forme 20 puis de nouveau dopé avec d'autres techniques qui assurent un meilleur contrôle du niveau de dopants. Cette méthode de réalisation est longue et coûteuse car elle nécessite d'éliminer des impuretés dopantes qui seront réintroduites par la suite à la 25 concentration désirée. Lorsque l'on souhaite incorporer des dopants dans un matériau semi-conducteur, ces dopants sont incorporés, avant la cristallisation, soit dans la charge fondue, soit dans la charge avant l'étape de fusion. Cependant, dans 30 un cas comme dans l'autre, la quantité finale de dopants dans le matériau semi-conducteur cristallisé ne correspond pas toujours à la quantité déposée dans le creuset. Différentes méthodes d'introduction des dopants sont utilisées couramment, mais ces méthodes sont toutes associées à des risques de contamination et/ou à des problèmes de contrôle de la quantité exacte de dopants incorporés. De même, la répartition des dopants dans le creuset n'est pas homogène ce qui pose des inégalités de propriété électrique dans le matériau semi-conducteur. Objet de l'invention On constate qu'il existe un besoin de prévoir un procédé de dopage des matériaux semi-conducteur qui soit facile à mettre en oeuvre, économique et qui assure une bonne maîtrise de la quantité de dopants incorporés. 15 Le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes prévoir un creuset contenant une charge dudit matériau semi-conducteur, disposer un matériau dopant dans un récipient sacrificiel fermé, le récipient sacrificiel étant formé par ledit matériau semi-conducteur, 20 fondre le contenu du creuset. Description sommaire des dessins 25 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels la figure unique représente, en coupe de manière schématique un creuset comportant une charge de matériau semi-conducteur muni d'un 30 récipient sacrificiel.10 Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention Comme illustré à la figure 1, le creuset 1 comporte un fond 2 et des parois latérales 3. Le creuset 1 est rempli par une charge 4 en matériau semi-conducteur. Le matériau semi-conducteur est par exemple, du silicium, un alliage de silicium-germanium, du SiC, un composé binaire de type III-V ou II-VI comme GaAs ou CdTe ou encore un composé ternaire de type III-V ou II-VI comme AIGaAs ou HgCdTe. Selon le secteur technologique visé, la charge 4 en matériau semi-conducteur comporte des niveaux d'impuretés dopantes électriquement actives bien définies. Ces niveaux d'impuretés sont définis de manière à fournir un matériau semi-conducteur solide compatible avec l'application choisie. Pour une application de type microélectronique, la charge 4 de matériau semi-conducteur est très faiblement dopée. Pour une application de type photovoltaïque, la charge 4 de matériau semi-conducteur peut contenir plus d'impuretés dopantes. La répartition des impuretés dans la charge 4 est libre avant fusion. La charge 4 peut contenir du matériau semi-conducteur très faiblement dopé à côté d'un bloc de matériau semi-conducteur plus fortement dopé. La charge 4 peut contenir également un ou plusieurs blocs de matériau dopant à l'intérieur du creuset 1. Afin d'obtenir, au final, la concentration désirée de dopants dans le matériau cristallisé, la charge 4 est analysée afin de mesurer la quantité de matériau semi-conducteur présent, la quantité de dopants présents et la quantité d'impuretés à incorporer. Cette étape peut être réalisée à tout moment avant la fusion de la charge. Un récipient 5 sacrificiel fermé contenant un ou plusieurs matériaux dopants 6 est placé dans la charge 4 de matériau semi-conducteur à l'intérieur du creuset 1. Dans un mode de réalisation particulier, une pluralité de récipients 5 sacrificiels fermés sont introduits dans la charge 4. La répartition des récipients peut être quelconque ou choisi de manière à obtenir dès le départ de la fusion une très bonne homogénéité. Le récipient sacrificiel additionnel présent dans la charge peut contenir le dopant ou mélange de dopant que le récipient sacrificiel. Dans un autre mode de réalisation, le récipient sacrificiel additionnel contient des dopants différents du récipient sacrificiel additionnel. L'utilisation de plusieurs récipients contenant les mêmes dopants ou des dopants différents permet de favoriser l'homogénéité dans la charge fondue. Cela permet également d'utiliser des récipients ayant des températures de fusion différentes et donc d'incorporer graduellement les dopants dans la charge ou d'éviter l'incorporation simultanée de deux dopants différents. Il est alors intéressant d'utiliser des récipients sacrificiels 5 qui présentent, entre eux, des températures de fusion différentes. Le récipient 5 est sacrificiel car il va être fondu pour faire partie de la charge 4 à l'état liquide qui va donner le matériau semi-conducteur cristallisé. Le récipient sacrificiel 5 est formé par un matériau formant une partie de la charge 4. Le matériau constituant le récipient 5 fermé est, de préférence, le matériau semi-conducteur à fondre. Ce matériau semi-conducteur peut être dopé ou non. Cependant, il est également possible de former le récipient 5 fermé par un autre matériau, par exemple, par une impureté dopante à incorporer. Dans un mode de réalisation préférentiel, le récipient sacrificiel 5 est formé dans un matériau qui présente une température de fusion proche ou égale à la température de fusion du constituant principal de la charge 4 à fondre. De cette manière, le récipient sacrificiel 5 ne se dégrade pas avant qu'une quantité suffisante de matériau fondu provenant de la charge 4 l'entoure et/ou le surmonte. De manière préférentielle, les dimensions du récipient sacrificiel 5 sont également choisies de manière à ce que la libération du matériau dopant 6 intervienne lorsqu'une quantité suffisante de matériau fondu soit présente. Les dimensions du récipient dépendent de la granulométrie du dopant. De manière préférentielle, le volume du récipient 5 est compris entre quelques millimètres cubes et quelques centimètres cubes. Cependant, des dimensions supérieures sont utilisables même s'il devient préférable de travailler avec plusieurs récipients 5. Une fois la charge 4 de matériau semi-conducteur placée dans le creuset 1 avec le récipient fermé 5 contenant un ou plusieurs dopants, la charge 4 est fondue. Le récipient sacrificiel 5 est également fondu ce qui libère les dopants 6 placés à l'intérieur du récipient 5. De cette manière, les impuretés dopantes 6 sont incorporées dans le bain fondu à l'intérieur du creuset 1. Tout le contenu du creuset 1 est fondu et sert à former le matériau semi-conducteur cristallisé. L'utilisation d'un récipient sacrificiel 5 fermé contenant au moins une 20 impureté dopante 6 est particulièrement avantageuse. L'impureté dopante 6 peut être à l'état de corps pur ou d'alliage. Lorsque le récipient sacrificiel 5 présente une température de fusion identique ou sensiblement identique à celle du reste de la charge 4, le 25 matériau dopant 6 est incorporé directement à la charge 4 fondue. Ceci réduit fortement les problèmes d'évaporation des matériaux dopants lors de la rampe en température du creuset 1, par exemple lorsque des dopants présentent une température de fusion inférieure à celle du matériau semi-conducteur constituant la charge sont à incorporer. Ce mode de réalisation 30 peut être amélioré en rendant étanche le récipient sacrificiel 5. L'utilisation d'un récipient étanche est encore plus avantageuse lorsque le creuset 1 est disposé dans une enceinte sub-atmosphérique et même sous-vide. A titre d'exemple, ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque la pression de travail est comprise entre la pression atmosphérique et 10"5mbar. Le travail à basse pression est difficile voire impossible lorsque l'on cherche à incorporer des dopants 6 ayant une pression de vapeur saturante élevée, par exemple le gallium ou le phosphore. Il est alors possible de réaliser une montée en température de la charge 4 à pression réduite, typiquement dans la gamme de pression décrite plus haut, de manière à éliminer les impuretés parasites et de réaliser ensuite la fusion à une pression plus élevée afin d'éviter l'évaporation des impuretés dopantes 6 introduites volontairement dans la charge 4. Comme les impuretés dopantes 6 sont introduites directement dans le bain fondu, leur incorporation dans le matériau semi-conducteur est mieux contrôlée. Il en ressort une plus grande précision dans la quantité de dopants présente dans le matériau final car les pertes sont réduites, et une plus grande homogénéité des dopants à l'intérieur du bain fondu et donc du matériau cristallisé. De plus, les impuretés dopantes 6 étant incorporées dans le creuset 1 avant l'étape de fusion, il n'est plus nécessaire de les introduire au cours du procédé de fusion ce qui élimine les risques de contamination lors de l'introduction des impuretés, par exemple au moyen d'une canne. Cela permet également une simplification des équipements utilisables pour réaliser la fusion de la charge 4. Un récipient sacrificiel 5 contenant des dopants 6 peut être utilisé dans un grand nombre de technologies où l'on retrouve l'introduction d'un matériau 30 solide dans un creuset, la fusion de ce matériau solide et sa solidification. Les dopants classiques des matériaux semi-conducteurs peuvent être introduits dans le récipient sacrificiel 5, par exemple, le bore, le phosphore, le gallium, l'indium et le germanium. De manière avantageuse, les dopants présentant un point de fusion faible par rapport au reste de la charge et/ou une pression de vapeur saturante incompatible avec le procédé de fusion sont encapsulés dans le récipient 5. Le récipient sacrificiel 5 est réalisé par toute technique adaptée, par exemple, par taraudage d'un bloc de matériau semi-conducteur constituant la io charge 4 ou au moyen d'un autre technique d'usinage. Le récipient sacrificiel 5 peut être formé par un matériau pur, un alliage ou un matériau dopé. Le dopant 6 contenu dans le récipient sacrificiel 5 est un matériau différent de celui du récipient. De manière préférentielle, le dopant 6 15 est un matériau pur ou sensiblement pur. Dans un mode de réalisation préférentiel, le récipient sacrificiel 5 est disposé à l'intérieur de la charge 4 plutôt qu'en contact avec le fond 2, les parois latérales 3 et le sommet de la charge. De manière encore plus préférentielle, 20 le récipient sacrificiel 5 est disposé entre le tiers supérieur et le tiers inférieur de la charge 4 à fondre. Ceci permet d'obtenir une fusion retardée du récipient sacrificiel 5 par rapport à la charge 4. Il est également possible de disposer le récipient dans le tiers inférieur pour éviter que le récipient ne surnage trop facilement. 25 Dans la mesure où la quantité de dopants perdue par évaporation est réduite, il est possible d'obtenir un matériau semi-conducteur cristallisé dont la concentration en dopants apportés est très faible et très bien maîtrisée. 30 REVENDICATIONS1. Procédé de dopage d'un matériau semi-conducteur caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : prévoir un creuset (1) contenant une charge (4) dudit matériau semi-conducteur, disposer un matériau dopant (6) dans un récipient sacrificiel (5) fermé, le récipient sacrificiel (5) étant formé par ledit matériau semi-conducteur, fondre le contenu du creuset (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient sacrificiel (5) fermé est étanche. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le creuset (1) est disposé dans une enceinte travaillant à pression subatmosphérique. 20 4. Procédé selon l'un quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le récipient sacrificiel (5) fermé est disposé dans le tiers inférieur de la charge (4) en matériau semi-conducteur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en 25 ce qu'il comporte l'utilisation d'un récipient sacrificiel (5) additionnel. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le récipient sacrificiel (5) et le récipient sacrificiel (5) additionnel présentent des températures de fusion différentes. 8 30