Fraction de bore cristallin de 99,9 % dans les cibles d’alliage pour pulvérisation cathodique de semi-conducteurs
La fraction de bore cristallin à 99,9 % sert de matière première solide pour les cibles d’alliage. Contrairement à la poudre de bore amorphe, le bore cristallin présente une structure ordonnée, une teneur en impuretés plus faible et une stabilité thermique supérieure. Ses principales fonctions sont les suivantes :
1. Source de dopant de type P pour un contrôle précis de la concentration des porteurs
En tant qu’élément du groupe III, le bore cristallin agit comme dopant de type P par substitution dans les couches minces à base de silicium, d’oxydes et d’alliages semi-conducteurs. Lors du processus de pulvérisation cathodique, il se co-dépose avec l’alliage dans le réseau cristallin de la couche. Il peut remplacer les atomes du réseau hôte et introduire des porteurs de charge positifs (trous) pour obtenir une conductivité de type P. La concentration de porteurs peut être ajustée en continu (dans la gamme 10¹⁸–10²¹ cm⁻³) en modulant la teneur en bore cristallin dans la cible. On obtient ainsi une augmentation de la conductivité de la couche de deux ordres de grandeur tout en contrôlant sa résistivité. Sa structure cristalline stable minimise la dérive de la concentration de dopage ; comparé au bore amorphe, il réduit les phases impures et les défauts interstitiels, ce qui se traduit par une uniformité de dopage supérieure.
2. Régulation de la densité de frittage et de la microstructure de la cible pour des procédés de pulvérisation cathodique stables
Avec un point de fusion élevé de 2076 °C et une excellente stabilité thermique, les particules de bore cristallin agissent comme agents de frittage et d’affinage du grain lors des étapes de pressage à chaud ou de frittage sous vide de la fabrication de cibles. La morphologie cristalline régulière et la faible teneur en impuretés d’oxygène du bore cristallin inhibent la croissance anormale des grains dans la matrice de la cible et réduisent la porosité. Il en résulte une amélioration de la densité et de la résistance à la flexion de la cible. De plus, le coefficient de dilatation thermique stable du bore cristallin minimise la fissuration thermique et l’érosion localisée (écaillage) lors de la pulvérisation cathodique à haute puissance. Ceci améliore la stabilité de la décharge, réduit les défauts particulaires pendant le processus et augmente les rendements des couches minces sur plaquette. En revanche, le bore amorphe contient des niveaux plus élevés d’oxygène adsorbé en surface et de défauts, ce qui le rend sujet à la formation de phases impures pendant le frittage, tandis que le bore cristallin à 99,9 % limite efficacement l’introduction d’impuretés d’oxygène.
3. Formation de phases de borure fonctionnelles, conférant au film une dureté élevée et des propriétés de barrière.
Lors de la pulvérisation réactive ou directe à partir de cibles en alliage, les atomes de bore libérés du bore cristallin peuvent réagir *in situ* avec des métaux tels que le titane, le molybdène, l’aluminium et le magnésium pour former des borures métalliques (par exemple, TiB₂, MoB₂, AlMgB₁₄). Ces films de borure présentent une dureté élevée et de faibles coefficients de diffusion, ce qui les rend adaptés à une utilisation comme barrières de diffusion métallique et masques de gravure durs dans les applications semi-conductrices. Ils bloquent l’interdiffusion des atomes métalliques (tels que le cuivre) dans les substrats de silicium, améliorant ainsi la stabilité thermique des dispositifs ; simultanément, leur dureté élevée améliore la résistance à la gravure plasma, répondant aux exigences strictes de masquage des procédés de fabrication avancés.
4. Modification des interfaces du film pour améliorer l’adhérence et ajuster la contrainte du film
Lorsque des atomes de bore cristallin sont déposés à l’interface du substrat, ils forment une fine couche de transition qui améliore l’adhérence interfaciale avec les substrats de Si ou de SiO₂. Une teneur en bore appropriée permet d’ajuster les contraintes internes du film, atténuant ainsi les fortes contraintes de compression ou de traction souvent présentes dans les films métalliques purs et réduisant le risque de déformation ou de délamination. De plus, la faible teneur en impuretés du bore cristallin minimise la présence de contaminants interfacials tels que le carbone et l’oxygène. Il en résulte une diminution de la densité d’états d’interface et une réduction du courant de fuite du dispositif.
5. Préparation de films fonctionnels spécialisés : films semi-conducteurs pour la détection de neutrons et à large bande interdite
Le bore cristallin de haute pureté est naturellement enrichi en isotope ¹⁰B. Les films minces de bore déposés par pulvérisation cathodique sont utilisés dans les détecteurs de neutrons à semi-conducteurs. Dans ces dispositifs, les atomes de bore capturent les neutrons pour générer des particules alpha, qui excitent ensuite des paires électron-trou au sein du semi-conducteur, permettant ainsi la détection du signal neutronique. De plus, ces matériaux peuvent servir à la fabrication de films semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le phosphore noir (BP) et le bore hexagonal (h-BN), qui constituent des précurseurs pour les dispositifs bidimensionnels et les couches diélectriques.
6. Suppression de la ségrégation de la cible pour assurer la reproductibilité de la composition du film
Les particules de bore cristallin possèdent des propriétés chimiques stables et résistent à l’oxydation et à l’agglomération ; par conséquent, elles présentent une dispersion supérieure à celle du bore amorphe lors des étapes de mélange et de frittage des poudres pour la fabrication de cibles en alliage. Le bore cristallin est moins sujet à l’enrichissement localisé ou à la ségrégation, ce qui minimise les variations de composition de la cible d’un lot à l’autre ; lors de la production par pulvérisation cathodique en continu, la teneur en bore et les paramètres électriques des films présentent une excellente reproductibilité, répondant ainsi aux exigences strictes de stabilité de la fenêtre de procédé pour la production en série de semi-conducteurs.
