Brevet FR2027311A1 — publié le 19700925

La présente invention est relative à la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs et de circuits ihtégrés et plus particulièrement à des procédés permettant de fabriquer de tels dispositifs et circuits possédant des caractéristiques et une 5 stabilité améliorées . Les caractéristiques' des dispositifs à semi-conducteurs et des circuits intégrés ainsi que leur stabilité sont affectées de. façon nuisible par la présence de certaines impuretés pelles que des ions sodium et d'autres ions de métaux alcalins ou au-10 très .Comme la fabrication de- tels dispositifs et circuits comporte habituellement plusieurs phases de traitement et comme il est presque impossible.d'éviter la pr$sence de traces de telles impuretés pendant toutes les phases du traitement, il se présente des problèmes et des difficultés continuels . 15 . Les buts principaux de l'invention , sont fie fournir un procédé qui permette la fabrication de dispositifs à semi -conducteurs et de circuits intégréa stables et de haute qualité, qui évite effectivement une contamination nuisible de ces dispositifs et circuits ,,qui soit mis en oeuvre simplement et 20 qui soit économique et fiable .D'autres objectifs et aspects de i l'invention apparaîtront et seront en partie expliqués dans la description qui va suivre . En bref, le procédé de l'invention consiste à nettoyer l'une des faces d'un substrat de silicium de façon à la débarrasser 25 de toute impureté et, par la suite, déposer, dans un réacteur, une couche de bioxyde de silicium (silice) sur la surface propre du substrat de silicium .Une couche de nltrure de silicium est alors déposée sur la couche de bioxyde de silicium et ce, sans retirer du réacteur le substrat recouvert d'oxyde, puis un mas-30 que résistant au décapage, couportant une fenêtre, est constitué sur cette couche de nitrure de silicium .La couche de nitrure de silicium et la couche sous-jacente de bioxyde de silicium sont alors éliminées de la zone définie par la fenêtre . Sur la zone ainsi découverte de la surface du substrat de silicium est 35 déposée une impureté de façon à modifier la conductivité du substrat de silicium dans cette zone , et cette impureté est diffusée dans la zone exposée du substrat et pour y constituer une région de conductivité modifiée . D'autres caractéristiques apparaîtront au cours de la des-40 cription qui va suivre . 69 43146 2 2027311 Au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple : la Fig.l est une vue en coupe schématique d'un substrat de silicium sur la surface nettoyée duquel est formée une couche de. bioxyde de silicium, selon le procédé de l'invention ; 5 la Fig.2 montre la formation d'une couche de nitrure de si licium sur la couche de silice ; la Fig.3 représente une autre couche de bioxyde de silicium déposée sur la couche précédente de nitrure de silicium ; la Fig.4 représente l'agencement de la Fig.3, après dépôt 10 d'un masque et décapage pour éliminer certaines parties des couches précédentes ; la Fig.5 montre un vernis, contenant des impuretés ,déposé sur l'édifice de la Fig.4 ; la Fig.6 montre les résultats d'une opération de diffusion 15 visant à constituer dans le substrat des régions de conductivité modifiée séparées l'une de-l'autre ; la Fig.7 représente l'agencement après la formation de contacts pour la source, la plaque efe la grille d'un transistor formé par ce mode de mise en oeuvre du procédé . 20 Les éléments correspondants sont désignés par lés memes ré férences sur les différentes figures . En se reportant maintenant aux figures, le matériau de départ pour fabriquer des dispositifs et des circuits intégrés selon l'invention est une tranche ou un substrat 11 de silicium 25 assez peu dopé. ( par exemple un taux d'environ 1016 atomes/cmjî) , sciée dans un monocristal de silicium suivant une direction à'écartant de 3 à 5° environ.de l'orientation 1-1-1.Danfe ce mode de réalisation on utilise un substrat de silicium du type n mais des substrats du type p et d'autres substrats de silicium, ha-30 bituellement utilisés dans la fabrication de dispositifs et de ' circuits intégrés, peuvent également être utilisés ..Après les opérations habituelles de polissage, la tranche 11 est.placée dans im. réacteur et est nettoyée par un décapage en phase gazeuse pendant environ 5:minutes par un mélange d'hydrogène et de + 5$ 35 de chlorure d'hydrogène à une température d'environ 1250°C. Sans enlever du réacteur le substrat 11 nettoyé, et _ après..* voir purgé .le réacteur avec un gaz inerte.tel que de l'azote ou de l'argon, on dépose une couche 13 de bioxyde de siliciumosur- la surface du substrat . Cette couche, d'environ 500 à 1000 A d'épaisseur,,, est 40 formée en chauffant la tranche dans une atmosphère d'oxygène sec 43116 20273n pendant environ 20 minutes à une température d'environ 1000°C. Cette couche d'oxyde peut aussi être formée en utilisant une atmosphère d'oxygène humide ou par des procédés classiques de dépôt d'oxyde en phase vapeur . Après la purge habituelle du réacteur et sans enlever du réacteur le substrat recouvert d'oxyde , on forme une couche 15 de nitrure de silicium comme le montre la Fig.2 piar. des procédés classiques tels que le dépôt en phase vapeur, à partir d'un mélange gazeux de silane et d'ammoniac, dans de l'hydrogène à, une température d'environ- 850°C à 900°C .En effectuant les .opérations précédentes dans le même réacteur , sans ' en retirer le substrat, la surface nettoyée de ce substrat et de la couche 13 reste. dépourvue d'impuretés et la couche de nitrure de silicium protège la structure recouverte d'oxyde et empêche ,s« contamination pendant les phases suivantes du traitement . Le réacteur peut être un réacteur haute fréquence à parois froides ou un réacteur à parois chaudes dant les surfaces des parois internes sont recouvertes par du nitrure de silicium formé pendant le traitement et qui abrite les surfaces contre la migration des ions sodium et autres impuretés , à partir des parois du réacteur vers l'intérieur de ce réacteur . Après avoir purgé le réacteur, on dépose une couche 17 de bioxyde de silicium , commeQle montre la Fig.3, sur une épaisseur d'environ 1000 à 2000 A , sur la surface de la couche 13 par dépôt en phase vapeur à partir d'un mélange de silane et d'oxygène . En utilisant des techniques classiques de réserve photographique , un masque (non représenté) est formé à la surface de la couche 17.Un décapage séquentiel est alors exécuté, d'abord avec un décapant du bioxyde de silicium, tel qu'une solution tamponnée d'acide fluorhydrique puis avec un .dépapant du nitrure de silicium , tel que de l'acide phosphorique chaud et enfin avec un décapant du bioxyde de silicium . Le masque peut être laissé sur la surface de la couche 17, ou bien en être enlevé- avant de décaper la couche 13 pour réaliser l'ouverture de ces fenêtres. Si la deuxième solution est adoptée,'les parties résiduelles de la couche supérieure 17 d'oxyde sont enlevées en même temps que les parties de la couche d'oxyde 13 se trouvant en dessous de la fenêtre et ceci laisse l'ensemble dans l'état représenté à la Fig.4, les zones 19a et 19b. de la surface dû substrat 11 étant exposées . Si le masque n'est enlevé qu'après le décapage 69 43146 4 2027311 des zones de la couche 13# l'opération suivante sera effectuée alors que les zones de la couche de bioxyde de silicium 17 subsistent et recouvrent les parties restantes de la couche 15 de nitrure de silicium. . 5 Selon une variante, l'exposition ou l'ouverture de ces fe nêtres peut être réalisée sans recourir à des traitements de décapages multiples ou à la formation préalable d'une couche 17 de bioxyde de silicium .Ceci peut être réalisé en utilisant une seule solution décapante , un masque résistant à cette solution 10 étant déposé à la surface de la couche 15>- le décapant unique enlevant successivement les deux couches de nitrure de silicium 15 et 13 • Ce procédé utilisant un seul décapant attaque les couches de nitrure de silicium et de bioxyde de silicium à peu près à la même vitesse . 15 Les zones exposées de la surface du substrat 11 sont netto yées par un lavage à l'eau , puis à l'acide nitrique concentré chaud et enfin à l'eau,Un vernis 21 d'impuretés de type p est alors déposé sur les surfaces exposées de l'agencement de la Fig.4 de façon classique , par exemple à partir d'un mélange 20 de tribromure de bore, d'oxygène et d'azote à une température d'environ 975°C pendant 20 à 25 minutes .Comme le montre la Fig.5, l'application de ce vernis provoque une certaine diffusion initiale qui peuvent fournir les régions de source et de plaqué d'un transistor à effet de champ "métal-isolant-semi-conducteur". .En même temps, des couches superficielles 25à/et 25b de bioxyde de silicium obtenu par croissance thermique sont formées sur les 40 régions exposœ's du substrat 11. ~ 69 43146 5 2027311 La Fig.7 représente l'agencement ou la structure de la Fig.6 après la formation classique d'électrodes métalliques conductrices, c'est-à-dire un contact de source 27 a, , m contact de plaque 27b et un contact de grille 27c .Le dispositif de la Fig.7 est 5 un transistor à effet de champ "métal-isolant-semi-conducteur " à canal de type p .En utilisant simplement un substrat de silicium de type p légèrement dopé comme matériau initial ét une impureté de type n pour le vernis 21, on constitue un tel transistor à canal de type h . 10 On doit remarquer que l'opération ou la phase classique fa cultative de formation d'une couche de bioxyde de silicium relativement épaisse ( par'exemple 1 ou 2 microns) sureau moins quelques zones superficielles déterminées du circuit intégré ou du dispositif que l'on fabrique, exécutée habituellement après la 15 métallisation permettant de former les contacts, peut être incorporée aisément dans ce procédé . Ces oxydes épais permettent d'obtenir les capacitances désirées sous les conducteurs de connection , ou autres constitués pendant les phases finales habituelles de la fabrication d'un circuit intégré . 20 Le procédé selon l'invention , en prévoyant une préparation initiale de la surface propre et passivée d'un substrat de silicium qui est de ce fait protégée contre une contamination future par la couche 15 de structure de silicium, permet d'éviter la présence de contaminants, tels que des ions sodium,dans des zones 25 critiques, telles que la zone du canal constituée par les couches de diélectrique 13 et 15 de la grille sous le contact de grille 27c.et dans les zones de jonction .Ainsi qer.procédé est applicable à la fabrication de circuits Intégrés et de dispositifs stables et de haute qualité, tels que des diodes et des transistors bi-30 polaires, ainsi que des transistors à effet de chaibp "métal-isolant -semi-conducteur " Il doit être entendu que les épaisseurs des diverses couches sont représentées sur les figures sans considération d'échelle • ou de proportion , étant donné que les épaisseurs réelles des 35 diverses couches et les dimensions du substrat oscillent entre quelques centainfes d'A et 0,25 mm ou plus et ne peuvent donc pas être représentées à l'échelle ou en conservant leurs proportions. - Compte tenu de ce qui précède, il apparaît que leac.'différents buts de l'invention ainsi que d'autres résultats avantageux sont 40 atteints . 69 43146 6 2027311 REVENDICATIONS 1-Procédé de fabrication de dispositifs à serai-conducteurs et de circuits intégrés dans lequel on débarrasse de toute ira-pureté la surface du substrat semi-conducteur ; on applique une 5 couche de matériau diélectrique sur la surface nettoyée ; après avoir formé un masque , on expose certaines zones superficielles du substrat en enlevant par décapage la couche diélectrique déposée au-dessus et on diffuse dans la surface exposée du substrat une impureté qui modifie la conductivité de ce substrat, carac- 10 térisé en ce qu'on applique une couche de nitrure de silicium sur la couche diélectrique formée dans un réacteur étanche, sans en retirer entre temps le substrat ainsi recouvert . 2-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé^ en ce qu'on utilise du silicium comme substrat semi-conducteur , 15 du bioxyde de silicium (silice) comme matériau diélectrique et avant formation du masque , on forme une couche, supplémentaire de bioxyde de silicium sur la coache de nitrure de «illeiun. 3-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le nettoyage de la surface du substrat est effectué par un 20 décapage au moyen de vapeur de chlorure d'hydrogène . 4-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le nettoyage de la surface du substrat, l'application de la couche de bioxyde de slllcixui et de la couche de nitrure de silicium sont effectués dans le même récipient, sans 25 en retirer entre temps le substrat . 5-Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on utilise comme réacteur un tube à haute fréquence et à paroi froide . 6-Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on 30 utilise comoe réacteur £n tube à paroi chaude dont les parois internes sont recouvertes de nitrure de silicium . 7-Procédé suivant la revendication I, caractérisé en cé qu'on expose une partie superficielle de la zone du substrat à conductivité modifiée et on y dépose unêccouche de métal conducteur . 35 8-Procédé suivant l'une quelconque des revendications pré cédentes , caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la fabrication d'un transistor à effet de champ comportant deux régions à conductivité modifiée, séparée l'une de l'autre, formées dans le substrat et constituant une région de source et une région de 40 plaque du transistor, et une région s'étendant entre elles et 69 43146 et qui constitue un canal . ^-Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'on utilise un substrat de type n et les régions de source et de plaque sont assez fortement dopées avec des impuretés de 5 type p de sorte qu'on obtient un transistor à effefc de champ avec iun canal de type p. 10-Procédé suivant la revendication 8S caractérisé en ce qu'on utilise un substrat de type p et les régions de plaque et de source sont assez fortement dopées avec des impuretés dê 10 type n de sorte qu'on obtient'un transistor à effet de champ •avec un canal du type n . 11-Procédé suivant la revendication 1» caractérisa en es que 11iupureté modifiant la conductivité du substrat est appliquée sur cette dernière sous forme d'un vernis, ce vernis étant 25 enlevé avant la diffusion de l'impureté » 2027311 ■AB ORIGINAL •