Technologie des dispositifs semiconducteurs:

Chapitre III : Elaboration des Couches actives, Diffusion.
Technologie des dispositifs semiconducteurs:
Introduction :
Un dispositif semi-conducteur où composant électronique est constitué par une plaquette de
matériau semi-conducteur monocristallin (appelé puce) montée dans un boitier où enrobée
dans un bloc de matière plastique qui laisse dépassé les connexions métalliques (pattes).
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La surface de la plaquette semi-conductrice varie de 104 µm2 à 1cm2 et son épaisseur
varie de 156 µm à 1mm.
Lorsque la plaquette ne contient qu’un seul élément ou un composant élémentaire
c’est un dispositif a un « composant discret ».
Si la plaquette contient un ensemble de composants élémentaire reliés entre eux par
des résistances, des capacités, des interconnexions métalliques, le tout constituant un
« circuit intégré ».
Figure III.1 : Couche active.
La plaquette semi-conductrice ou puce est formée d’une couche active, une couche passive
(non active) appelé « substrat ».déposé sur un support mécanique. Les couches actives sont
d’une épaisseur qui varie de 0.1 µm à 10 µm.
Différents types de dispositifs existent :
_ Soit le courant traverse le substrat qui est alors de faibles résistivités (10-2cm) pour éviter les
effets de résistances série. C’est le cas des diodes à jonctions et des diodes Shottky de
puissance, des diodes électroluminescentes, des lasers semi-conducteurs, des transistors
bipolaires discret etc.
_ Soit le courant circule dans les couches actives sans pénétrer dans le substrat qui est alors
isolant ou isolé des couches actives par une zone de charge d’espace. C’est le cas des
transistors à effet de champ, des circuits intégrés bipolaire ou MOS.
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Figure III.2 : Diffèrent type de substrat
Elaboration du substrat :
La première opération technologique consiste à réaliser un substrat monocristallin. Dans le ce
but on élabore un lingot d’orientation cristallographique bien défini <100> ou <111> et dans
lequel on scie des tranches de 250 µm à 1mm d’épaisseur. L’élaboration du lingot s’effectue
par différentes méthodes ou technique qui constitue à faire croitre un germe monocristallin en
contact avec le matériau fondue.
Figure III.3 Lingot monocristallin de Si.
Elaboration de couches actives :
Les couches actives ont des propriétés électroniques (types de concentration des porteurs de
charge) différentes de celle du substrat. Il existe deux méthodes pour élaborer les couches
actives :
1) Sur le dopage de la région superficielle du substrat : en introduisant dans cette région
des dopants en concentration supérieure à celle du substrat, on la différencie
électriquement du reste du substrat deux techniques sont utilisables :
a) La diffusion thermique.
b) L’implantation ionique.
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On peut ainsi réaliser que des couples couches-substrat de type N+/N , P+/N et P+/P.
2) Croissance par Epitaxie d’une couche monocristalline sur le substrat. Dans cette
méthode le dopage de la couche peut être de même type ou de type diffèrent et plus ou
moins grand que celui du substrat. On peut réaliser que des couples couches-substrat
de type N/N+, N/P+, P/N+ et P/P+. ce qui n’est pas réalisable par diffusion ou par
implantation.
Technique de diffusion :
1) La théorie de la diffusion :
Le mot diffusion du latin « couler l’un dans l’autre », c’est un processus dans lequel les
particules d’un système sont emportées à cause d’un gradient de concentration qui est la
variation de la concentration en fonction de la position :
𝑑𝑁
≠0
𝑑𝑥
A la suite du mouvement Brownien (aléatoire), beaucoup de particule se déplacent du
lieu de forte concentration vers des lieux de faible concentration. La diffusion ce produit dans
les gaz, dans les liquides et même dans les solides avec une vitesse respectivement
décroissante, c’est-à-dire elle est plus importante dans les gaz, moins importante dans les
liquides et plus faible dans les solides.
2) Les lois de la diffusion :
Dans les solides la diffusion des atomes s’effectue par déplacement :
_ Occupation des positions vacante (lacune).
_ Occupation de positions interstitielles.
Figure III.4 : déplacement des dopants.
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Dans le cas de la diffusion dans un semi-conducteur, elle peut être assimilée à un
mouvement d’atomes diffusants (dopants) dans le réseau cristallin par occupation de sites
vacants ou des positions interstitielle.
Si N est la concentration de particules, à partir du gradient de concentration on peut
déterminer le nombre de particule entrant et sortant (flux) pour unité de surface, par unité
de temps (première loi de Fick) : le flux
Φ=
𝑑𝑀
= −𝐴. 𝐷. ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑔𝑟𝑎𝑑 𝑁. ⃗⃗⃗⃗
𝑎𝑛
𝑑𝑡
(1)
Figure III.5 : Surface de diffusion
A : est la surface
D : est la constante de la diffusion.
𝑎𝑛 : le vecteur surface normal à A.
⃗⃗⃗⃗
𝑁 : est la concentration des paritcules.
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑁 =
𝑔𝑟𝑎𝑑
𝜕𝑁
𝜕𝑁
𝜕𝑁
⃗
𝑖+
𝑗+
𝑘
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝜕𝑧
Lorsqu’un courant de particules circule, il fait varier la concentration N en fonction du temps.
Ce mécanisme est décrit par l’équation de continuité c’est-à-dire, à travers une surface
donnée, il y a autant de particules qui entre que celle qui sortent ce qui traduit par la relation
suivante :
𝑑𝑁
= −𝑑𝑖𝑣𝐽
𝑑𝑡
𝐽=
(2)
1 𝑑𝑀
. ⃗⃗⃗⃗
𝑎
𝐴 𝑑𝑡 𝑛
𝐽 : est la densité de courant de diffusion.
La combinaison des deux équations (1) et (2) conduit à la 2ème loi de Fick :
𝜕𝑁
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑁)
= 𝐷. 𝑑𝑖𝑣(𝑔𝑟𝑎𝑑
𝜕𝑡
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Pour le cas unidimensionnel (suivant x) :
𝜕𝑁
𝜕 2𝑁
= 𝐷. 2
𝜕𝑡
𝜕𝑥
3) Diffèrent mécanismes de diffusion :
Il existe 4 possibilités de déplacement de particules dans les solides monocristallin :
a)
b)
c)
d)
Les particules se déplacent par changement de place.
Les particules se déplacent par changement circulaire de place.
Les particules se déplacent sur les sites vacants.
Les particules ce déplace sur des positions interstitielles.
Figure III.5 mécanismes de diffusion
4) Le coefficient de diffusion :
D’après la loi de Fick le coefficient de diffusion est donné en [cm2/s], il suit une loi
d’Arrhenius de la forme :
𝐷 = 𝐷0 𝑒𝑥𝑝 (−
∆𝐸
)
𝐾𝑇
∆𝐸 : est l’énergie d’activation.
T : la température
K : la constante de Boltzmann.
A partir de cette loi en peut connaitre le mécanisme de diffusion le plus probable. C’est-à-dire
celui qui correspond à l’énergie d’activation la plus faible.
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Figure III.6 : Variation du facteur de diffusion en fonction de la température.
L’énergie d’activation ∆𝐸 dans le cas de diffusion interstitiel est l’équivalant de l’énergie
nécessaire à faire déplacer un atome d’un site a un autre. Elle est de l’ordre de 0.5ev a 2ev
pour le Si et le GaAs. Dans le mécanisme de diffusion a site vacant elle correspond a l’énergie
de création de site et celle de déplacement. Dans ce cas elle est plus sinificatif et varie entre
3ev et 5ev.
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5) Processus de diffusion :
Un processus de diffusion, généralement conduit en deux étapes :
Au cours d’une première étape dite dépôt ou pré-dépôt. Les tranches de (Wafers) sont
maintenue en contact avec une atmosphère contenant l’élément dopant dans un four porté
à une température >1000°C pendant un temps de l’ordre de l’heure. Le dopant diffuse de
la surface vers le cœur (intérieur) de la tranche sur une profondeur de l’ordre de 0.1µm.
deux méthode sont utilisées :


Diffusion en Ampoule scellé.
Diffusion en tube ouvert.
5.1) La diffusion en ampoule scellé :
Dans une Ampoule de Quartz (SiO2) on dispose les tranches (Wafers) maintenue
verticalement grâce à des couche de ménagé dans une nacelle. La source solide de dopants
placée dans une barquette, l’ampoule est vidée jusqu’à 10-6 torr (torr unité de pression=
mmHg).Scellé sous vide, placé dans four et porté à 1000-1200°C. A haute température la
source émet des atomes de l’élément dopant qui provient sur les tranches et y diffusent.
Après diffusion l’ampoule et ouverte sous vides pour pouvoir réaliser une remontée de
pression progressive.
Figure III.7 : Diffusion en tube fermé.
5.1) La diffusion en Tube Ouvert :
Les tranches sont disposées sur une nacelle placée dans un tube balayé en permanence
par un gaz neutre N2 ou Ar (Azote ou Argon) de l’oxygène, un composé gazeux de
l’élément dopant POCl3 ou BBr3, à haute température l’oxygène réagie pour donner un
oxyde de l’élément dopant P2O5 ou B2O3 et former à la surface des tranches un verre de
silice dopé.
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SiO2+P2O5
SiO2+B2O3
Ce verre dopé sert de source de diffusion dans les tranches.
Figure III.8 : Diffusion en tube ouvert.
Au cours d’une étape dite redistribution les tranches soustraites à toute source de
dopant subissent un long traitement thermique destiné à faire pénétrer plus profondément
les impuretés au cours de la première étape. Ce traitement est généralement effectué en
tube ouvert.
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