FR2473787A1 - Procede de fabrication d'un composant semi-conducteur par implantation ionique d'impuretes dans un support - Google Patents

Procede de fabrication d'un composant semi-conducteur par implantation ionique d'impuretes dans un support Download PDF

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Abstract

a. Procédé de fabrication d'un semi-conducteur. b. Procédé caractérisé en ce qu'on effectue une implantation d'ions d'impureté à la surface du substrat semi-conducteur 1, on irradie 4, 5 avec de la lumière non cohérente dont la plage est plus étendue que celle du substrat pour activer la région à implantation ionique, de façon électrique. c. L'invention concerne la fabrication de composants semi-conducteurs à implantation ionique. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

24?371
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un semiconducteur et notamment un procédé de fabrication d'un semi-conducteur par implantation ionique d'un support et recuit pendant une courte durée pour former des régions activées au plan électrique. On connaît une technique selon laquelle on rétablit les défauts du cristal d'une région à implantation ionique pour activer de façon électrique les atomes ou les ions implantés ce procédé se caractérise par un recuit à l'aide d'un four
électrique. Selon ce procédé, on met un certain nombre de subs-
trats (ou supports) semi-conducteurs sur lesquels on a implanté des ions, sur une plaquette de quartz ou analogue, puis on leur fait subir un traitement thermique dans un four électrique, à
une température par exemple comprise entre 800 et 12000C pen-
dant plus de 10 minutes pour réaliser une région activée au
plan électrique dans chacun des substrat.
Ce procédé est intéressant du fait qu'il permet de
traiter un certain nombre de substrats en même temps; l'incon-
vénient de ce procédé est que les substrats qui doivent subir un traitement thermique ont une capacité calorifique importante, et que du fait de la courte durée du chauffage, les couches
activées au plan électrique ne sont pas uniformes.
En outre même si l'on tende de régler le profil de
la région à'implantation ionique pour réaliser le semi-conduc-
teur, il y a un phénomène de redistribution du profil d'implan-
tation ionique du fait du traitement thermique prolongé. Il en
résulte la suppression de l'avantage de l'implantation ionique.
De plus lorsqu'on fabrique un composant semi-
conducteur instable au plan thermique tel qu'un semi-conducteur
à base de Ga, As, les atomes de Ga et As qui forment le subs-
trat sont vaporisés lorsqu'il s'agit d'un traitement thermique de longue durée en température et ils forment une couche de conversion thermique à la surface du substrat, ce qui est gênant
pour l'activation électrique de la région à implantation ionique.
Récemment, on a développé un nouveau procédé de recuit pour une région à implantation ionique à savoir un
procédé de recuit à laser, qui permet d'activer de façon élec-
trique une région à implantation ionique en une période très
courte (période comprise entre une nanoseconde et une micro-
seconde). Le mécanisme du procédé est que le substrat semi-
- 2473787
2- conducteur absorbe l'énergie de la lumière laser et transforme celleci en énergie thermique pour effectuer le procédé de recuit du substrat. Toutefois dans ce cas, le coefficient d'absorption de la lumière dans le substrat semi-conducteur dépend beaucoup de la longueur d'onde de-la lumière laser ainsi que des caractéristiques du cristal du substrat semiconducteur (qui varient en fonction de la quantité d'ions implantés) et exige que le signal de sortie du laser soit modifié en fonction
des substrats semi-conducteurs à recuire.
De pll-' lorsque la lumière du laser rayonne sur.
une structure à couches multiples telle qu'une structure SiO2-Si, une structure silicium polycristallin - silicium etc pour recuire cette structure, on a des phénomènes de réflexion de la lumière laser par exemple à la surface du silicium Si et des interférences dépendant de la longueur d'onde de la lumière laser, de l'épaisseur de la couche SiO2 sur la couche Si etc. Il faut dans ces conditions que le signal de sortie du laser
soit différent pour le recuit.
Ainsi, pour faire le recuit à l'aide de la lumière du laser, il faut focaliser un faisceau de lumière laser à
plusieurs dizaines de microns pour balayer le substrat semi-
conducteur dans deux dimensions pour le recuire de façon uni-
forme. Toutefois on ne peut arriver à un recuit uniforme du fait des fluctuations, du scintillement ou autres de la lumière du laser. Si le substrat semi-conducteur peut être- irradié par
un laser dont le point lumineux est important, il faut toute-
fois un laser très puissant.
La présente invention a pour but de créer un procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur, selon un procédé de recuit ou de traitement thermique à l'aide dun rayonnement de lumière non cohérente pour activer la région à implantation ionique, les ions étant implantés à la surface d'un substrat semi-conducteur, puis la lumière non cohérente d'une lampe assure l'irradiation de la surface semi-conductrice à implantation ionique pour recuire cette surface et activer la région à implantation d'ions. Une très large plage de lumière
permet le recuit sans nécessiter un balayage par le faisceau.
L'invention a également pour but de créer un procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur avec
recuit à l'aide d'une lumière non cohérente qui assure l'activa-
3 24?53?7
tion électrique de la région à implantation d'ions en une
période plus courte de deux ordres de grandeur (10) par com-
paraison au recuit à l'aide d'un four électrique, pour éviter
les difficultés engendrées par un recuit prolongé.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur caractérisé en ce qu'on assure l'implantation d'ions d'impureté à la surface d'un substrat semi-conducteur et on irradie avec de la lumière non cohérente dont la plage est plus étendue que le substrat pour assurer l'activation électrique de la région à implantation ionique. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une coupe transversale d'un
exemple de dispositif de chauffage à radiation uniforme utili-
sant des miroirs ayant chacun une surface réfléchissante en forme de parabololde, et qui sert à mettre en oeuvre le procédé
selon l'invention.
- la figure 2 est un graphique donnant la caracté-
ristique température/radiation d'une plaquette semi-conductrice
à l'aide du dispositif de chauffage selon la figure 1.
- la figure 3 est un graphique donnant la relation entre le temps d'irradiation d'une plaquette semi-conductrice
et la résistance de la feuille.
- la figure 4 est un graphique donnant le profil de la concentration en bore d'une plaquette semi-conductrice
de type cristallin (111).
- la figure 5 est un graphique donnant le profil de la concentration en porteurs d'une plaquette semi-conductrice
dans laquelle apparatt le phénomène de conversion thermique.
DESCRIPTION DE DIFFERENTS MODES DE REALISATION PREFERENTIELS
La figure 1 est une coupe transversale d'un dispo-
sitif de chauffage fournissant un rayonnement de lumière non cohérente et comportant des miroirs réfléchissants, de type paraboloîque. La plaquette semi-conductrice 1 a une surface à implantation ionique; une suspension annulaire 2 en quartz, porte la plaquette semi-conductrice 1, par exemple à laide de trois ou quatre saillies minces 2a de façon à ne chauffer réellement que la plaquette 1. Deux plaquettes 1 peuvent être superposées, leurs surfaces avant ou arrière venant en contact,
4 247378 7
en étant supportées par la suspension 2. La suspension 2 qui porte la plaquette 1 est logée dans un tube en quartz 3 dont la section transversale est rectangulaire. Plusieurs suspensions ou supports 2 peuvent être logés dans le tube dequartz 3. A la -figure, la référence 4 désigne une lampe d'irradiation, telle que par exemple une lampe tungstène-halogène qui rayonne de la lumière visible et de la lumière infrarouge dont les longueurs d'onde sont comprises entre 0,4 et 4microns, et un miroir 5 à surface réfléchissante,paraboloidal. Une paire de jeux de lampes 4 et de miroirs réfléchissants 5 sont placés au-dessus et en-dessous du tube en quartz 3 le long des côtés intérieurs du tube en quartz 3. Dans l'exemple, on a quatre ensembles.de lampes 4 et de miroirs 5 placés chacun du côté supérieur: et du coté inférieur du tube en quartz 3; chaque jeu de lampes 4 au-dessus et en-dessous du tube en quartz 3 est décalé de façon
complémentaire pour irradier uniformément le substrat.
En pratique dans l'appareil de chauffage décrit ci-dessus, la plaquette semi-conductrice 1 est portée par une suspension 2 à l'intérieur du tube en quartz 3 et on-introduit
de l'azote gazeux N2 dans le tube en quartz 3 suivant uni débit-
de 2 e/min pour éviter l'oxydation de la plaquette semi-conduc-
trice 1. Le coefficient d'absorption de la lumière par le quartz est faible. C'est pourquoi dans le dispositif de chauffage, le-,
chauffage de la plaquette 1 n'est pas effectué par le rayonne-
ment émis par le tube en quartz comme dans un four électrique habituel, ce qui réduit la contamination par des ions de sodium
ou analogues.
Dans l'appareil de chauffage selon la figure 1, la plaquette semiconductrice 1 peut se chauffer rapidement ou vitesse élevée contrairement au cas de la conduction thermique à partir d'une suspension de grande capacité calorifique comme
cela est le cas dans les fours électriques connus.
Le graphique de la figure 2 montre l'augmentation de la température dans le dispositif de chauffage ci-dessus lorsque la température de la plaquette 1 atteint 12000C en 6 secondes à partir du début de l'irradiation. Dans le cas -du graphique de la figure 2, la puissance fournie est égale à Wcm2 et le coefficient d'émission est égal à 0,5; dans le
graphique, les points noirs représentent les valeurs expérimen-
tales, la ligne correspondant à la valeur théorique. C'est
2473787
pourquoi dans ce cas, il suffit que le temps d'irradiation soit
d'environ 10 secondes et que la température puisse se détermi-
rner par la durée d'irradiation. Il est ainsi inutile de régler
la température en utilisant un thermocouple.
De plus dans le dispositif de chauffage ci-dessus seule la plaquette 1 est chauffée, si bien que la résistance de surface est uniforme et la déformation de la plaquette 1 est faible. En plus du dispositif de chauffage ci-dessus, on peut utiliser un dispositif de chauffage pour la mise en oeuvre
du procédé de l'invention dans lequel la plaquette semi-conduc-
trice se déplace en continu dans la zone d'irradiation le long d'un chemin à coussin d'air ou qu'il soit réalisé un appareil de chauffage faisant corps avec un dispositif d'implantation ionique de façon que les ions soient implantés dans la plaquette semi-conductrice, puis que la plaquette soit recuite dans la même chambre. A la place du miroir à surface réfléchissante,
paraboloidal, on peut prévoir un miroir à surface réfléchissan-
te, ellipsoïdal pour focaliser la lumière.
La durée de recuit par le dispositif de chauffage
est de plusieurs secondes, si bien que l'on peut activer élec-
triquement la région à implantation d'ions sans redistribution
et former une jonction moins profonde.
Lorsqu'on fabrique un semi-conducteur tel qu'un composant GaAs, qui est instable au plan thermique, on peut activer sa région à implantation ionique, en une période courte en procédant par un recuit par irradiation lumineuse. Ainsi dans ce cas, on supprime la vaporisation de Ga, ou de As ou la diffusion de Cr, ce qui évite la formation de la couche de conversion thermique et n'endommage pas l'impureté découlant
de l'implantation ionique.
De plus lorsqu'on applique un recuit à l'aide d'une radiation de lumière non cohérente selon l'invention sur une plaquette semi-conductrice multicouche telle qu'une structure Si - SiO2, une structure Si - Si polycristallin ou analogue, comme la longueur d'onde de la lampe à tungstène-halogène est située dans la plage des longueurs d'onde entre 0, 4 et 4 microns,
on peut négliger le phénomène d'interférence qui crée des diffi-
cultés dans le cas d'un recuit à l'aide d'un laser.
Exemple expérimental n0 1 Sur les surfaces (100), (111) d'une plaquette de cristal obtenue selon le procédé Czochralski, en silice Si de type N à implantation d'ions B, avec une énergie de 200 KeV et une dose de 1015 cm, on irradie la plaquette à l'aide de
la lumière fournie par une lampe tungstène-halogène en utili-
sant le dispositif de chauffage selon la figure 1; la lampe reçoit une puissance de 35 W cm-2 La figure 3 est un graphique donnant la relation
entre la durée d'irradiation lumineuse et la résistance-de sur-
face de la plaquette. Dans le graphique de la figure 3, les points noirs représentent la plaquette dans la surface (100) et la résistivité comprise entre 40 et 80d^ cm; les triangles
noirs montrent la plaquette pour-la surface (111) et la résis-
tivité comprise entre 60 et 80 cm.
Dans le cas du recuit au four électrique, par exemple à 11000C pendant 15 minutes, la résistance de surface de la plaquette semi-conductrice est de l'ordre de 804%/m
(ohm par unité de surface). On comprend ainsi que dans l'exem-
ple ci-dessus de l'invention, on peut obtenir une plaquette semiconductrice ayant des caractéristiques analogues à celles de l'art antérieur en procédant à une irradiation de lumière
pendant environ 6 secondes.
La figure 4 est un graphique montrant le profil
de la concentration de bore dans la surface (111) de la pla-
quette semi-conductrice. La courbe en trait plein de7la figure
4 représente le profil de l'implantation de bore dans la pla-
quette; la courbe en pointillé représente la valeur théorique de cette implantation. De plus dans le graphique, les points noirs correspondent au cas d'une irradiation de lumière pendant
6 secondes alors que les points blancs et les rectangles repré-
sentent le cas de plaquettes chauffées à 10000C et 11000C pen-
dant 15 minutes dans un four électrique. Il est clair que l'on a une faible rediffusion des impuretés dans le cas du recuit par irradiation et la distribution de la résistance de surface
dans la plaquette est inférieure à 1,2 %.
Exemple expérimental n02:
On fait une implantation d'ions Si+ dans une pla-
quette de GaAs dosée avec Cr, suivant une énergie de 70 KeV et avec un dosage de 3 x 1012 cm 2; l'irradiation est faite à
7 2473787
l'aide de la lumière émise par une lampe tungstène-halogène sur la plaquette en utilisant le dispositif de chauffage de la
figure 1. La plaquette GaAs est mise sur un substrat par exem-
ple en silicium à surfaces lisses qui absorbe la lumière rayon-
née et est suspendu sur une suspension en quartz 2 comme à la figure 1; la surface dans laquelle l'implantation est faite est tournée vers le bas et elle touche la surface supérieure du substrat se silicium. On conduit ainsi la chaleur dans la plaquette GaAs si on évite l'évaporation de l'arsenic As. Dans
le cas d'une plaquette GaAs dopée par Cr, des porteurs en excé-
dent sont générés par la diffusion vers l'extérieur de Cr et
la conversion thermique de type N risque de se produire.
- La figure 5 est un graphique comparant les profils des porteurs des plaquettes particulièrement sensibles à la
conversion thermique. A la figure 5, les courbes A et B corres-
pondent au cas du chauffage par irradiation à la lumière jusqu'à une température de 940çC; lorsque cette température est atteinte, on reste l'irradiation et on chauffe à la lumière jusqu'à 900'C, puis on conserve l'irradiation pendant 10 secondes; la courbe C
correspond au cas d'une plaquette chauffée dans un four électri-
que à 8500C pendant 15 minutes. La figure 5 montre que le recuit à la lumière ne fait apparaître que peu de porteurs en excédent
etile profil des porteurs est très pointu.
Le dispositif de chauffage selon l'invention peut s'appliquer à un traitement thermique dans lequel on forme avant le recuit une couche d'isolation pour passiver la surface
de la plaquette GaAs pendant le recuit. Dans ce cas, on intro-
duit SiH4, 02 etc dans le même tube à quartz du dispositif de chauffage que celui qui contient la plaquette; puis, lorsque le gaz s'écoule de façon stable, on irradie la plaquette pour
la chauffer à une température comprise entre 400 et 5000C pen-
dant plusieurs secondes, pour faire un dépôt d'une couche SiO2 par dép8t de vapeur à la surface de la plaquette. Puis on
soumet la plaquette à un recuit dans le même tube de quartz.
Il est clair que l'invention peut s'appliquer non
seulement aux exemples ci-dessus mais à tout procédé nécessi-
tant une implantation ionique d'une plaquette à des doses plus élevées, de façon à éviter la diffusion des atomes de la couche
métallique servant de masque d'implantation ionique ou de con-
ducteur de contact vers le substrat.

Claims (4)

R E V E N D I C A T I O N S
1 ) Procédé de fabrication d'un composant semi-
conducteur caractérisé en.ce qu'on effectue une implantation d'ions d'impureté à la surface du substrat semi-conducteur (1), on irradie (4, 5) avec de la lumière non cohérente dont la plage est plus étendue que celle du substrat pour activer la
région à implantation ionique, de façon électrique.
2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on émet en continu la lumière à l'aide d'un métal
réfractaire chauffé.
3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est suspendu (2) de façon que ses deux
surfaces principales soient exposées- à la lumière d'irradiation.-
4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé-.
en ce que la surface à implantation du substrat (1) est mise sur une plaquette qui absorbe la lumière en étant suspendue
de façon que sa surface inférieure soit exposée à l'irradiation.
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