EP1383944A1 - Procede de traitement de la surface d'un materiau semiconducteur - Google Patents

Procede de traitement de la surface d'un materiau semiconducteur

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EP1383944A1
EP1383944A1 EP02730364A EP02730364A EP1383944A1 EP 1383944 A1 EP1383944 A1 EP 1383944A1 EP 02730364 A EP02730364 A EP 02730364A EP 02730364 A EP02730364 A EP 02730364A EP 1383944 A1 EP1383944 A1 EP 1383944A1
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EP
European Patent Office
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hydrogen
prepared
silicon carbide
atomic
semiconductor material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02730364A
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German (de)
English (en)
Inventor
Vincent Derycke
Patrick Soukiassian
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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    • H10D62/832—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group IV materials, e.g. B-doped Si or undoped Ge being Group IV materials comprising two or more elements, e.g. SiGe
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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    • H10D64/01—Manufacture or treatment
    • H10D64/011—Manufacture or treatment of electrodes ohmically coupled to a semiconductor
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    • H10D64/0115—Manufacture or treatment of electrodes ohmically coupled to a semiconductor to Group IV semiconductors to silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y10S438/00—Semiconductor device manufacturing: process
    • Y10S438/974—Substrate surface preparation

Definitions

  • the present invention relates to a method for treating the surface of a semiconductor material, in particular using hydrogen. Depending on the treatment, the invention makes it possible in particular to metallize or passivate this surface of the semiconductor material.
  • the invention is particularly applicable in microelectronics.
  • the doping obtained does not make it possible to find one of the advantages of the use of hydrogen, namely obtaining a metallized surface as fine as possible and ' an abrupt interface allowing the best contact possible, which is important in electronics.
  • Document [2] shows that by selectively removing groups of hydrogen atoms from a hydrogenated Si (100) surface using an STM or scanning tunneling microscope, it is possible to locally metallize this surface.
  • Document [6] P. Kratzer et al., Phys. Rev. Lett. 81, 25 (1998).
  • Document [5] discloses techniques which consist either in passivating a silicon surface by exposing it to atomic hydrogen or in chemically etching the silicon with hydrofluoric acid solutions.
  • the techniques known from document [5] have drawbacks: it is necessary to dissociate molecular hydrogen to obtain atomic hydrogen, - this reaction cannot be carried out at room temperature, and chemical etching causes deterioration of the surface of the material on the atomic scale (elimination of Si).
  • Document [6] discloses the passivation of a surface of Si (100) 2x1 by dissociative adsorption of molecular hydrogen.
  • the present invention aims to remedy the above drawbacks by proposing a simpler method than the known techniques, mentioned above, with a view to bringing the surface of a semiconductor material into a given electrical state.
  • the invention relates in particular to:
  • the present invention relates to a method of treating the surface of a semiconductor material, with a view to bringing this surface into a predefined electrical state, the material semiconductor preferably being monocrystalline, this process being characterized in that: the surface of the semiconductor material is prepared so that this surface has, on an atomic scale, a controlled organization, and
  • the surface thus prepared is combined with a material chosen from hydrogen, molecules containing hydrogen, metals, organic molecules and inorganic molecules, the preparation and combination of the surface with the material cooperating to obtain l predefined electrical state of the surface.
  • the predefined electrical state is a conductive state and the method allows metallization of the surface of the semiconductor material, this surface so that this surface has dangling bonds, capable of adsorbing hydrogen atoms, and
  • the surface thus prepared is hydrogenated, so as to metallize this surface.
  • this surface in order to hydrogenate the surface thus prepared, this surface can be exposed directly to hydrogen in atomic state, until saturation (of this surface by this atomic hydrogen) or use a chemical ex hydrogenation technique situ, that is to say in a device different from that in which the surface was prepared, the semiconductor material is for example silicon carbide, - preferably, silicon carbide has a cubic structure and the surface silicon carbide is prepared so as to present, on an atomic scale, a controlled organization of 3 ⁇ 2 symmetry, then this surface is exposed to atomic hydrogen until saturation,
  • the silicon carbide is maintained at a temperature ranging from ambient temperature to 900 ° C., in particular 300 ° C., during the hydrogenation of the surface of the silicon carbide, and
  • - hydrogen can be hydrogen in the strict sense, that is to say the isotope - " " H, or deuterium, that is to say the isotope 2 H, or a mixture of those -this, in particular natural hydrogen.
  • the material is hydrogen
  • the predefined electrical state is an insulating state
  • the semiconductor material is cubic silicon carbide and the process allows the passivation of the surface of the cubic silicon carbide, this surface is prepared so that this surface has, on the atomic scale, a controlled organization of symmetry c (4x2), and - The surface thus prepared is treated to obtain a 2x1 surface ordered on an atomic scale and saturated with hydrogen.
  • the pressure of molecular hydrogen is approximately equal to 10 ⁇ 8 hPa.
  • the predefined electrical state is a semiconductor state and the semiconductor material is a monocrystalline substrate of silicon carbide terminated by an atomic carbon plane of sp configuration, constituting the surface of the material, this plane is transformed into an atomic carbon plane of sp 3 configuration, of diamond type, while exposing the surface to the material in order to promote this transformation
  • the present invention also relates to the surface of the semiconductor material obtained by the process which is the subject of the invention.
  • the surface of a monocrystalline silicon carbide (SiC) substrate with a cubic structure is treated.
  • SiC monocrystalline silicon carbide
  • this surface is prepared in order to present, at the atomic scale, a controlled organization of 3 ⁇ 2 symmetry. This surface is then exposed to atomic hydrogen until saturation. Upon exposure to hydrogen, the SiC is maintained at a temperature of 300 ° C.
  • the cubic SiC is placed in a treatment enclosure, in which a pressure of less than 5 ⁇ 10 -10 hPa prevails, and heated by passing an electric current directly through this SiC substrate.
  • the latter is heated for several hours at 650 ° C. and then brought several times to 1100 ° C. for one minute.
  • a source of silicon heated to 1300 ° C. several silicon monolayers are deposited on the surface (100) of the cubic SiC.
  • part of the deposited silicon is evaporated in a controlled manner until the surface has an organization on the atomic scale (reconstruction) of 3 ⁇ 2 symmetry. This symmetry of the surface can be controlled by electron diffraction.
  • This surface is then exposed to atomic hydrogen.
  • ultra pure molecular hydrogen is used which is decomposed thanks to an incandescent tungsten filament placed at 2 cm from the SiC. During this exposure, the surface is maintained at a temperature equal to 300 ° C. The surface should be exposed until saturation. This saturation can be controlled by an STM, that is to say a scanning tunneling microscope, or by the valence band photoemission technique.
  • the STM shows a well-ordered saturated surface with 3x2 symmetry.
  • the valence band photoemission reveals the metallic character of the saturated surface: the photoemission spectra of the 3x2 surface saturated with atomic hydrogen have a non-zero density of states at the Fermi level (Fermi step).
  • This process according to the invention is not limited to SiC. It applies to other elementary semiconductors and compound semiconductors having the particularity of having pendant bonds, capable of receiving hydrogen atoms.
  • the invention makes it possible to remedy the drawbacks of the methods of the prior art and to simplify these methods, by subjecting the surface of ⁇ -
  • the SiC obtained then has a passivated surface without imperfections, each dimer formed being at the same height.
  • this surface is prepared in order to present, on the atomic scale, a controlled organization of c symmetry (4x2). This surface is then exposed to molecular hydrogen until saturation. Upon exposure to molecular hydrogen, the SiC is kept at room temperature.
  • the procedure is as indicated below (and, in this connection, reference may also be made to P. Soukiassian et al., Phys. Rev. Lett. 78, 907 (1977).
  • the cubic SiC substrate is placed in a treatment enclosure, in which a pressure of less than 5 ⁇ 10 -10 hPa prevails, and heated by passing an electric current directly through this SiC substrate.
  • the latter is heated for several hours at 650 ° C. and then brought several times to 1100 ° C. for one minute.
  • the surface is maintained at room temperature.
  • the SiC surface is exposed until saturation (greater than 50L).
  • This saturation can be controlled by an STM or by a valence band photoemission technique.
  • the STM reveals an ordered area 2x1.
  • the valence band photoemission reveals the disappearance of the electronic surface state which was due to the pending bonds of the surface silicon.
  • Other techniques would make it possible to obtain the passivation of the SiC surface by hydrogen, in particular ex situ chemical techniques.
  • a monocrystalline substrate 2 is formed (figure) in
  • SiC terminated by a carbon atomic plane S according to a reconstruction c (2x2), this plane being a plane of carbon-carbon dimers 4 of sp configuration, and at least one annealing of this substrate is carried out, this annealing being suitable for transform the plan of carbon-carbon dimers 4 of sp configuration into a plan of carbon-carbon dimers
  • the surface S of the substrate 2 (carbon atomic plane) is exposed to molecular or atomic hydrogen.
  • the interaction of hydrogen with this sp-type carbon finished surface promotes the sp 3 diamond-like transition because the hydrogen atoms weaken and break the triple C ⁇ C sp-type bonds, which promotes the formation of dimers of carbon with single CC bonds of type sp 3 of diamond type.
  • To promote the sp 3 transition of the diamond type it is possible to use, instead of hydrogen, molecules containing hydrogen, metals (for example alkali metals or transition metals) or other organic molecules or inorganic to obtain this transition.

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Abstract

Procédé de traitement de la surface d'un matériau semiconducteur, utilisant notamment l'hydrogène, et surface obtenue par ce procédé. Selon l'invention, on utilise par exemple l'hydrogène, on prépare la surface (S) pour qu'elle présente, à l'échelle atomique, une organisation contrôlée, et l'on hydrogène la surface ainsi préparée, la préparation et l'hydrogénation de la surface coopérant pour obtenir un état électrique prédéfini de la surface. L'invention trouve des applications, notamment en microélectronique, à la métallisation ou la passivation d'une surface semiconductrice.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT DE LA SURFACE D'UN MATERIAU SEMICONDUCTEUR
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de traitement de la surface d'un matériau semiconducteur, utilisant notamment l'hydrogène. Selon le traitement, l'invention permet en particulier de metalliser ou de passiver cette surface du matériau semiconducteur.
L'invention s'applique notamment en microélectronique .
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
En ce qui concerne la métallisation de la surface d'un matériau semiconducteur, utilisant l'hydrogène, on se reportera aux documents suivants :
[1] F. Maier et al., Phys . Rev. Lett. 85, 3472 (2000) [2] T. -C. Shen et al., Science, 268, 1590 (1995)
[3] Hitosugi et al., Applied Surface Science, 130-132
(1998) 340-345 [4] P. Doumergue et al., Physical Review B, 59, 22 (1995) . Le document [1] concerne l'étude du mécanisme qui permet à un diamant de présenter une conductivité de surface après hydrogénation. Il est montré que l'hydrogène est nécessaire mais pas suffisant pour établir cette conductivité et que cette dernière est rendue possible par la présence d'eau dans l'air. Cette modification du diamant ne reste pas localisée en surface mais s'étend en profondeur, ce qui la rend proche d'un dopage. La technique connue par le document [1] présente des inconvénients .
En effet, le dopage obtenu ne permet pas de retrouver l'un des avantages de l'utilisation de l'hydrogène, à savoir l'obtention d'une surface métallisée la plus fine possible et ' d'une interface abrupte permettant le meilleur contact possible, ce qui est important en électronique.
De plus, la conductivité obtenue par le mécanisme mis en évidence dans ce document [1] n'est possible qu'avec le diamant hydrogéné et pas avec les autres semiconducteurs .
Le document [2] montre qu'en enlevant sélectivement des groupes d'atomes d'hydrogène d'une surface de Si (100) hydrogénée au moyen d'un STM ou microscope à effet tunnel (en anglais « scanning tunneling microscope ») , il est possible de metalliser localement cette surface.
La technique connue par le document [2] présente des inconvénients : en fait, la métallisation de la surface nécessite l'adsorption ultérieure d'un métal et reste localisée.
Selon les documents [3] et [4], l'arrachage sélectif de l'un des deux atomes d'hydrogène terminant des dimères de silicium permet d'obtenir une ligne métallisée. La technique connue par ces documents [3] et [4] présente des inconvénients.
En effet, elle nécessite l'utilisation d'un STM pour l'arrachage des atomes d'hydrogène les uns après les autres, seule une ligne métallisée étant obtenue à chaque opération.
De plus, cette technique est longue et coûteuse à mettre en œuvre, ce qui rend son application industrielle difficile. En ce qui concerne la passivation de la surface d'un matériau semiconducteur, utilisant l'hydrogène, on se reportera aux documents suivants :
[5] M. Oura et al., Surf. Sci . Rep . 35, 1(1999)
[6] P. Kratzer et al., Phys. Rev. Lett. 81, 25 (1998). Le document [5] divulgue des techniques qui consistent soit à passiver une surface de silicium en l'exposant à de l'hydrogène atomique soit à graver chimiquement le silicium par des solutions d'acide fluorhydrique . Les techniques connues par le document [5] présentent des inconvénients : il est nécessaire de dissocier l'hydrogène moléculaire pour obtenir de l'hydrogène atomique, - cette réaction ne peut être faite à température ambiante, et la gravure chimique entraîne une détérioration de la surface du matériau à l'échelle atomique (élimination de Si) . Le document [6] divulgue la passivation d'une surface de Si (100) 2x1 par adsorption dissociative d'hydrogène moléculaire.
La technique connue par le document [6] présente des inconvénients .
En effet,, le mécanisme mis en jeu lors de cette dissociation nécessite la présence d'imperfections de surface. La passivation est donc très localisée car les parties du matériau ne présentant pas ces imperfections ne réagissent pas à température ambiante .
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un procédé plus simple que les techniques connues, mentionnées plus haut, en vue de mettre la surface d'un matériau semiconducteur dans un état électrique donné.
L'invention concerne en particulier :
- un procédé de métallisation de la surface d'un matériau semiconducteur, qui ne présente pas les inconvénients des techniques divulguées par les documents [1] à [4] , et
- un procédé de passivation de la surface d'un matériau semiconducteur qui ne présente pas les inconvénients des techniques divulguées par les documents [5] et [6] .
De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de traitement de la surface d'un matériau semiconducteur, en vue de mettre cette surface dans un état électrique prédéfini, le matériau semiconducteur étant de préférence monocristallin, ce procédé étant caractérisé en ce que : on prépare la surface du matériau semiconducteur pour que cette surface présente, à l'échelle atomique, une organisation contrôlée, et
- on combine la surface ainsi préparée à une matière choisie parmi l'hydrogène, des molécules contenant de l'hydrogène, des métaux, des molécules organiques et des molécules inorganiques, la préparation et la combinaison de la surface à la matière coopérant pour obtenir l'état électrique prédéfini de la surface.
Selon un premier mode de mise en œuvre particulier du procédé objet de l'invention, dans lequel la matière est l'hydrogène, l'état électrique prédéfini est un état conducteur et le procédé permet la métallisation de la surface du matériau semiconducteur, on prépare cette surface de façon que cette surface possède des liaisons pendantes (en anglais « dangling bonds ») , capables d'adsorber des atomes d'hydrogène, et
- on hydrogène la surface ainsi préparée, de manière à metalliser cette surface. Dans le cas de ce premier mode de mise en œuvre particulier, pour hydrogéner la surface ainsi préparée, on peut exposer directement cette surface à de l'hydrogène à l'état atomique, jusqu'à saturation (de cette surface par cet hydrogène atomique) ou utiliser une technique chimique d'hydrogénation ex situ, c'est-à-dire dans un dispositif différent de celui où l'on a préparé la surface, le matériau semiconducteur est par exemple le carbure de silicium, - de préférence, le carbure de silicium a une structure cubique et la surface du carbure de silicium est préparée de façon à présenter, à l'échelle atomique, une organisation contrôlée de symétrie 3x2, puis cette surface est exposée à l'hydrogène atomique jusqu'à saturation,
- de préférence, le carbure de silicium est maintenu à une température comprise dans l'intervalle allant de la température ambiante à 900°C, en particulier 300°C, lors de l'hydrogénation de la surface du carbure de silicium, et
- l'hydrogène peut être l'hydrogène au sens strict, c'est-à-dire l'isotope -""H, ou le deutérium, c'est-à-dire l'isotope 2H, ou un mélange de ceux-ci, en particulier l'hydrogène naturel. Selon un deuxième mode de mise en œuvre particulier du procédé objet de l'invention, dans lequel la matière est l'hydrogène, l'état électrique prédéfini est un état isolant, le matériau semiconducteur est le carbure de silicium cubique et le procédé permet la passivation de la surface du carbure de silicium cubique, on prépare cette surface de façon que cette surface présente, à l'échelle atomique, une organisation contrôlée de symétrie c(4x2), et - on traite la surface ainsi préparée pour obtenir une surface 2x1 ordonnée à l'échelle atomique et saturée d'hydrogène.
Dans ce cas, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, pour obtenir la surface 2x1 ordonnée à l'échelle atomique et saturée d'hydrogène, on expose la surface présentant, à l'échelle atomique, l'organisation contrôlée de symétrie c(4x2), à de l'hydrogène moléculaire, jusqu'à saturation, tout en maintenant le carbure de silicium à" la température ambiante (approximativement égale à 20°C) .
A titre d'exemple, la pression de l'hydrogène moléculaire est approximativement égale à 10"8 hPa. Selon un troisième mode de mise en œuvre particulier du procédé objet de l'invention, dans lequel l'état électrique prédéfini est un état semiconducteur et le matériau semiconducteur est un substrat monocristallin de carbure de silicium terminé par un plan atomique de carbone de configuration sp, constituant la surface du matériau, on transforme ce plan en un plan atomique de carbone de configuration sp3, de type diamant, tout en exposant la surface à la matière, afin de favoriser cette transformation. La présente invention concerne aussi la surface du matériau semiconducteur obtenue par le procédé objet de l'invention.
BRÈVE DESCRIPTION DU DESSIN
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence à la figure unique annexée qui illustre schematiquement un procédé conforme à l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On décrit maintenant un exemple du procédé objet de l'invention, permettant de « metalliser », c'est-à-dire de rendre électriquement conductrices, des surfaces semiconductrices (ou plus exactement des surfaces de matériaux semiconducteurs) qui ont la particularité d'avoir des liaisons pendantes, capables d'accueillir des atomes d'hydrogène.
Dans cet exemple, on traite la surface d'un substrat de carbure de silicium (SiC) monocristallin de structure cubique. L'exemple considéré permet de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en métallisant la totalité de la surface du Sic, par exposition directe à de l'hydrogène (naturel) atomique jusqu'à saturation, et cela sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à un appareillage compliqué.
Il convient de noter que ce comportement de l'hydrogène (action de métallisation) est à l'opposé de son rôle habituel qui est de passiver les surfaces semiconductrices . La métallisation se produit uniquement en surface, les couches sous-jacentes du matériau ainsi traité restant semiconductrices, ce qui est particulièrement intéressant en microélectronique où 1 ' on recherche une interface abrupte entre les éléments conducteurs et semiconducteurs d'un circuit et le contact le plus fin possible entre les différents éléments du circuit.
Dans l'exemple considéré, pour metalliser la surface du SiC cubique en utilisant de l'hydrogène, cette surface est préparée afin de présenter, à l'échelle atomique, une organisation contrôlée de symétrie 3x2. Cette surface est ensuite exposée à de l'hydrogène atomique jusqu'à saturation. Lors de l'exposition à l'hydrogène, le SiC est maintenu à une température de 300°C.
Plus précisément, pour obtenir la métallisation de la surface du SiC cubique en utilisant de l'hydrogène, on suit la procédure mentionnée ci- après, à propos de laquelle on pourra aussi se référer à WO 98/27578 (« Fils atomiques de grande longueur et de grande stabilité, procédé de fabrication de ces fils, application en nanoélectronique ») ainsi qu'à Semond et al., Phys. Rev. Lett. 77, 2013 (1996).
Le SiC cubique est placé dans une enceinte de traitement, dans laquelle règne une pression inférieure à 5xl0~10 hPa, et chauffé par passage d'un courant électrique directement dans ce substrat de SiC. Ce dernier est chauffé pendant plusieurs heures à 650°C puis porté plusieurs fois à 1100°C pendant une minute. A l'aide d'une source de silicium chauffée à 1300°C, on dépose plusieurs monocouches de silicium sur la surface (100) du SiC cubique.
A l'aide de recuits thermiques, on évapore, de façon contrôlée, une partie du silicium déposé jusqu'à ce que la surface présente une organisation à l'échelle atomique (reconstruction) de symétrie 3x2. Cette symétrie de la surface peut être contrôlée par diffraction d'électrons.
On expose ensuite cette surface à de l'hydrogène atomique. Pour produire cet hydrogène atomique, on utilise de l'hydrogène moléculaire ultra pur que l'on décompose grâce à un filament de tungstène incandescent placé à 2 cm du SiC. Au cours de cette exposition, la surface est maintenue à une température égale à 300°C. La surface doit être exposée jusqu'à saturation. Cette saturation peut être contrôlée par un STM, c'est-à-dire un microscope à effet tunnel (en anglais « scanning tunneling microscope ») , ou par la technique de photoémission de bande de valence. Le STM montre une surface saturée bien ordonnée et de symétrie 3x2.
La photoémission de bande de valence révèle le caractère métallique de la surface saturée : les spectres de photoémission de la surface 3x2 saturée d'hydrogène atomique présentent une densité d'états non nulle au niveau de Fermi (marche de Fermi) .
Ce procédé conforme à l'invention, dont on vient de donner un exemple, n'est pas limité à SiC. Il s'applique aux autres semiconducteurs élémentaires et semiconducteurs composés ayant la particularité d'avoir des liaisons pendantes, capables d'accueillir des atomes d'hydrogène.
De plus, au lieu de l'hydrogène naturel, à l'état atomique, on peut utiliser l'isotope 1H seul (à l'état atomique) ou l'isotope 2H seul (à l'état atomique) ou tout mélange des isotopes 1H et 2H (à l'état atomique).
En outre, d'autres techniques d'hydrogénation sont possibles. En particulier, pour obtenir la métallisation de la surface de SiC par l'hydrogène, on peut utiliser une technique chimique ex situ (par exemple une technique d'hydrogénation humide - voir le document [2] ) . En fait, toute méthode permettant d'obtenir une surface 3x2 ordonnée à l'échelle atomique et saturée d'hydrogène conduit à la métallisation de la surface.
Il convient de noter que les surfaces conductrices ainsi obtenues présentent des améliorations techniques par rapport à l'art antérieur
(contact fin, interface abrupte) .
On décrit maintenant un deuxième exemple du procédé objet de l'invention, permettant de passiver une surface semiconductrice βSiC (100) c (4x2 ) en exposant cette surface à de l'hydrogène moléculaire à température ambiante.
L'invention permet de remédier aux inconvénients des procédés de l'art antérieur et de simplifier ces procédés, en soumettant la surface de β-
SiC (100) c (4x2) directement (une étape de dissociation n'est plus nécessaire) à de très faibles pressions
(10-8 hPa) d'hydrogène moléculaire, tout en restant à la température ambiante. La passivation qui en résulte s'accompagne d'une transition de la structure de la surface, à savoir la transition (c (4x2 ) —>2xl) .
Le SiC obtenu présente alors une surface passivée sans imperfections, chaque dimère formé étant à la même hauteur.
Plus précisément, pour passiver la surface du SiC cubique en utilisant de l'hydrogène, cette surface est préparée afin de présenter, à l'échelle atomique, une organisation contrôlée de symétrie c(4x2). Cette surface est ensuite exposée à de l'hydrogène moléculaire jusqu'à saturation. Lors de l'exposition à l'hydrogène moléculaire, le SiC est maintenu à température ambiante . Dans l'exemple considéré, pour obtenir la passivation de la surface d'un substrat de SiC cubique en utilisant de l'hydrogène, on procède comme on l'indique ci-après (et, à ce propos, on pourra aussi se reporter à P. Soukiassian et al., Phys. Rev. Lett. 78, 907 (1977) .
Le substrat SiC cubique est placé dans une enceinte de traitement, dans laquelle règne une pression inférieure à 5xl0~10 hPa, et chauffé par passage d'un courant électrique directement dans ce substrat de SiC. Ce dernier est chauffé pendant plusieurs heures à 650°C puis porté plusieurs fois à 1100°C pendant une minute.
A l'aide d'une source de silicium chauffée à 1300°C, on dépose plusieurs monocouches de silicium sur la surface (100) du SiC cubique. A l'aide de recuits thermiques à 1000 °C, on évapore, de façon contrôlée, une partie du silicium déposé jusqu'à ce que la surface présente une organisation à l'échelle atomique (reconstruction) de symétrie 3x2. Cette symétrie de la surface peut être contrôlée par diffraction d'électrons.
Au moyen de recuits thermiques à 1100°C, on transforme la surface de symétrie 3x2 jusqu'à ce qu'elle présente une organisation à l'échelle atomique (reconstruction) de symétrie c(4x2).
On expose ensuite cette surface à l'hydrogène moléculaire ultra pur à basse pression (10"8 hPa) .
Au cours de cette exposition, la surface est maintenue à température ambiante.
La surface de SiC est exposée jusqu'à saturation (supérieure à 50L) .
Cette saturation peut être contrôlée par un STM ou par une technique de photoémission de bande de valence.
Le STM révèle une surface ordonnée 2x1.
La photoémission de bande de valence révèle la disparition de l'état électronique de surface qui était dû aux liaisons pendantes du silicium de surface. D'autres techniques permettraient d'obtenir la passivation de la surface de SiC par l'hydrogène, en particulier des techniques chimiques ex situ.
En fait, toute méthode permettant d'obtenir une surface 2x1 ordonnée à l'échelle atomique et saturée d'hydrogène doit conduire à la passivation de la surface. On explique maintenant un troisième exemple du procédé objet de l'invention et, pour cet exemple, on se référera au document suivant :
[7] Demande internationale n° PCT/FR99/02979 , n° de publication internationale WO 00/32853, intitulée
« Couche monoatomique et monocristalline de grande taille, en carbone de type diamant, et procédé de fabrication de cette couche », invention de V.
Derycke, G. Dujardin, A. Mayne et P. Soukiassian. Selon le procédé décrit dans ce document
[7] , on forme un substrat monocristallin 2 (figure) en
SiC terminé par un plan atomique de carbone S selon une reconstruction c(2x2), ce plan étant un plan de dimères carbone-carbone 4 de configuration sp, et l'on effectue au moins un recuit de ce substrat, ce recuit étant apte à transformer le plan de dimères carbone-carbone 4 de configuration sp en un plan de dimères carbone-carbone
6 de configuration sp3 formant ainsi une couche monoatomique et monocristalline de carbone de type diamant.
Selon l'exemple considéré de l'invention, tout en effectuant ce ou ces recuits, on expose la surface S du substrat 2 (plan atomique de carbone) à de l'hydrogène moléculaire ou atomique. L'interaction de l'hydrogène avec cette surface terminée carbone de type sp favorise la transition sp3 de type diamant car les atomes d'hydrogène fragilisent et cassent les triples liaisons C≡C de type sp, ce qui favorise la formation de dimères de carbone avec simples liaisons C-C de type sp3 de type diamant . Pour favoriser la transition sp3 de type diamant, on peut utiliser, au lieu de l'hydrogène, des molécules contenant de l'hydrogène, des métaux (par exemple des métaux alcalins ou des métaux de transition) ou d'autres molécules organiques ou inorganiques permettant d'obtenir cette transition.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement de la surface d'un matériau semiconducteur, en vue de mettre cette surface dans un état électrique prédéfini, le matériau semiconducteur étant de préférence monocristallin, ce procédé étant caractérisé en ce que : on prépare la surface du matériau semiconducteur pour que cette surface présente, à l'échelle atomique, une organisation contrôlée, et - on combine la surface ainsi préparée à une matière choisie parmi l'hydrogène, des molécules contenant de l'hydrogène, des métaux, des molécules organiques et des molécules inorganiques, la préparation et la combinaison de la surface à la matière coopérant pour obtenir l'état électrique prédéfini de la surface.
2. Procédé selon la revendication 1, la matière étant l'hydrogène, l'état électrique prédéfini étant un état conducteur, ce procédé permettant la métallisation de la surface du matériau semiconducteur, dans lequel
- on prépare cette surface de façon que cette surface possède des liaisons pendantes, capables d'adsorber des atomes d'hydrogène, et - on hydrogène la surface ainsi préparée, de manière à metalliser cette surface.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, pour hydrogéner la surface ainsi préparée, on expose directement cette surface à de l'hydrogène à l'état atomique, jusqu'à saturation.
4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, pour hydrogéner la surface ainsi préparée, on utilise une technique chimique d'hydrogénation ex situ.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le matériau semiconducteur est le carbure de silicium.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le carbure de silicium a une structure cubique et la surface du carbure de silicium est préparée de façon à présenter, à l'échelle " atomique, une organisation contrôlée de symétrie 3x2, puis cette surface est exposée à l'hydrogène atomique jusqu'à saturation.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel le carbure de silicium est maintenu à une température comprise dans l'intervalle allant de la température ambiante à 900°C, en particulier 300°C, lors de l'hydrogénation de la surface du carbure de silicium.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel l'hydrogène est l'isotope 1H ou l'isotope 2H ou un mélange de ceux-ci.
9. Procédé selon la revendication 1, la matière étant l'hydrogène, l'état électrique prédéfini étant un état isolant et le matériau semiconducteur étant le carbure de silicium cubique, ce procédé permettant la passivation de la surface du carbure de silicium cubique, dans lequel
- on prépare cette surface de façon que cette surface présente, à l'échelle atomique, une organisation contrôlée de symétrie c(4x2), et - on traite la surface ainsi préparée pour obtenir une surface 2x1 ordonnée à l'échelle atomique et saturée d'hydrogène.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel, pour obtenir la surface 2x1 ordonnée à l'échelle atomique et saturée d'hydrogène, on expose la surface présentant, à l'échelle atomique, l'organisation contrôlée de symétrie c(4x2), à de l'hydrogène moléculaire, jusqu'à saturation, tout en maintenant le carbure de silicium à la température ambiante .
11. Procédé selon la revendication 1, l'état électrique prédéfini étant un état semiconducteur et le matériau semiconducteur étant un substrat monocristallin de carbure de silicium terminé par un plan atomique de carbone de configuration sp, constituant la surface du matériau, dans lequel on transforme ce plan en un plan atomique de carbone de configuration sp3, de type diamant, tout en exposant la surface à la matière, afin de favoriser cette transformatio .
12. Surface (S) du matériau semiconducteur, obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
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