Brevet FR2042629A1 — publié le 19710212

• ; 1 • L'avènement des dispositifs semiconducteurs connus sous le nom de MO3T et les dispositifs à champ élevé, a révélé certaines limitations dans l'utilisation du bioxyde de silicium comme isolateur d'électrode de commande ou milieu de passivation. En particulier, l'attention a été attirée par l'inca-5 pacité, pour l'oxyde, d'arrêter une diffusion rapide des métaux alcalins, c'est-à-dire du sodium, du potassium, du lithium. Ceci produit une diffusion d'oxygène à travers la couche de bioxyde de silicium qui présente une région à faible charge alors que l'on souhaite avoir me région à charge élevée. On a songé au nitrure de silicium pour remplacer la couche de bioxyde de silicium 10 dans les régions non actives ou de champ, mais ceci présente des inconvénients. On a trouvé que, quand du nitrure de silicium est déposé directement sur le substrat dans un MOST, il se produit un grand nombre de courts-circuits entre les électrodes de commande et la source. Une variante de solution consiste à déposer des films de nitrure de silicium minces sur des structures de dispo-15 sitif oxydées thermiquement. Le nitrure dense agit apparemment comme m masque contre la contamination subséquente, à partir d'ions d'impuretés te3s que le sodium. De plus, on a constaté que ces couches de nitrure empêchent ou retardent les effets de recuit souhaités pour obtenir de faibles densités ■ d'états de surface stables. 20 La présente invention a pour objet de proposer une couche diélectrique perfectionnée pour des dispositifs semiconducteurs. La présente invention a encore pour objet une couche diélectrique perfectionnée sur une région semiconductrice qui présente une très haute tension de seuil pour empêcher un renversement de la surface semiconductrice. 25 L'invention a encore pour objet de proposer un dispositif semiconducteur perfectionné dans lequel la couche diélectrique, sur la région inactive comporte trois couches discrètes de matériau diélectrique. Selon l'invention, le dispositif semiconducteur comporte des régions actives et inactivcô, la région inactive avant une tension de seuil très élevée 30 pour éviter le renversement de la surface semiconductrice, et la région active ayant un faible nombre d'états de surface et une faible tension de seuil. La région active peut être un dispositif MOST ou bien, un dispositif semiconducteur bipolaire et la région inactive peut contenir des lignes d'alimentation conductrices connectant les éléments des régions actives. 35 Selon une caractéristique df l'invention, la couche diélectrique sur la t région inactive forme un sandwich comprenant trois couches distinctes de matériau diélectrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche médiane du sandwich diélectrique est enlevée de la jonction des régions actives et inactives, 40 afin de permettre à la couche diélectrique supérieure de se déposer directement 70 17405 2042629 sur la couche diélectrique inférieure» D'autres caractéristiques de 11 invention ressortiront de la description,, détaillée ci-dessous. Bien entendu la description et le dessin ne sont donnés qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. 5 La figure 1 représente, en coupe, un dispositif MOST selon l'invention. La figure 2 est une vue agrandie d'vne portion de la coupe selon la figure 1. La figure 3 est une vue., en coupe, d'un dispositif semiconducteur bipolaire, selon la présente invention. 10 En se référant aux figures 1 et 2 du dessin, on a représenté un substrat 1 en silicium, de conductivité de type N. Des régions 2 et de type P, sont diffusées dans le substrat pour former, respectivement, les régions de drain et de source. Dos contacts métalliques 4- et 5* de préférence en aluminium, constituent les contacts de drain et de source. Un élément, diélectrique-15 à trois couches 6, est,déposé sur les régions de source et de drain non recouvertes par les contacts métalliques 4 ot 5» et également sur les régions inac ■ tives. L'élément diélectrique 6 comprend : une première couche 10, en bioxyde de silicium, située directement sur la surface des régions diffusées ; une seconde couche 11, en nitrure de silicium, disposée sur le bioxyde de silicium 20 10, et une troisième couche 12 d'oxyde de silicium épais, disposée sur la couche 11 en nitrure de silicium. Sur la surface de la région de l'électrode de commande, c'est-à-dire sur le substrat original, on a déposé une couche 12'. en bioxyde de silicium, et au-dessus de cette couche d'oxyde 13 on a déposé vr contact métallique l4, par exemple en aluminium. 25 L'expression pour la tension de seuil d'un MOST est : ("ss ^'*0 .0 V\ ms EnE 0 r 30 35 -dans laquelle : q représente la charge électronique ; N représente le nombre d'états de surface ; SS Ng représente la concentration de masse de dopant ; Eq représente la permittivité de l'espace libre ; E^ représente la constante diélectrique relative de l'isolant ; 0 représente la différence des fonctions de travail du métal par rapport ms au semiconducteur. f La tension de seuil de l'électrode de commande est habituellement faible (environ de 2 à 6 volts) et est "obtenue par une combinaison de N faible et t o SS d'un oxyde mince (environ 1.000 À). Les régions non actives du MOST (souvent référées par rapport à l'isolant du champ) nécessitent, toutefois, une ten-40 sion de seuil très élevée pour éviter le renversement de la surface du sili- rr 9Y 70 17405 2042629 3 ôium sous les lignes d'alimentation des conducteurs, par exemple V_, V„„, et VU Uir les lignes d'entrée des sigaaux et des impulsions d'horloge sur un enregistreur à décalage à circuits intégrés. Il est de pratique commune d'utiliser simplement un isolant épais dans 5 ces régions non actives et de négliger les paramètres N . Malheureusement, SS la charge sur les oxydes épais peut émigrer et modifier l'interface silicium/ isolant, de telle sorte que peut être réduit sous les conditions de fonctionnement. Quand l'oxyde de l'électrode de commande est formée, on appuie le sili-10 cium de telle sorte qu'il y a une dépression de l'électrode de commande dans là surface du substrat. On obtient habituellement un interface à chargé élevée et le "piégeage" . de cette charge par l'application d'une couche de nitrure de silicium. L'épaisseur de l'isolant peut être constituée par le nitrure, mais un oxyde 15 est utilisé pour remédier au problème de décapage associé au nitrure de silicium. On a trouvé que, quand il n'y avait pas de rétrécissement de nitrure de silicium, comme cela est représenté en 15, sur la figure 1, de nombreux court-circuits entre l'électrode de commande et la source se produisaient. Ceci était 20 dû au fait que, quand l'oxyde de l'électrode de commande se formait, aucune oxydation supplémentaire n'était effectuée sous le nitrure de silicium, de telle sorte qu'il en résultait une couche plus mince de bioxyde de silicium séparant la métaliisation 14 de la région P, c'est-à-dire une faiblesse diélectrique en ce point. Cette faiblesse diélectrique était éliminée en enlevant le nitrure de 25 silicium de telle sorte que la couche d'oxyde 12 contacte directement la première couche d'oxyde 10. Ceci est mieux représenté sur la figure 2, qui est une vue partielle très agrandie de la figure 1, à la jonction des régions actives et inactives du MOST, et illustre plus exactement la configuration des différentes couches de diélectrique. La vue en coupe de la figure 1, peut être regardée 30 comme une version idéalisée de ce que la structure est actuellement. Comme cela est représenté sur la.figure 2, la couche de nitrure de silicium 11 qui, initialement a les mêmes limites que la couche d'oxyde 10, a été mordancée comme représenté en 20, de telle sorte que, quand la couche d'oxyde 12. .croît, elle .recouvre la couche d'oxyde 10 et adhère à celle-ci. La;couche 35 d'oxyde 13, c'est-à-dire l'oxyde de l'électrode de commande, est ensuite formée sur la région de l'électrode 'de commande, mais s'étend sur les régions P sous la couche, d'oxyde 10 et sur la seconde couche d'oxyde 12, de telle sorte qu'il y a une couche d'oxyde plus épaisse .13 dans la région entre les flèches 21 séparant la métallisa,.tion 14 de la région du type P. 2^q Plusieurs échantillons du sandwich diélectrique MOST ont été faits et 70 17405 2042629 4 essayés : Exemple rt° 1 Un sandwich diélectrique a été fait sur vin substrat en Silicium comprenant O une première couche d'oxyde à vapeur d'eau de 500 A, une seconde couche de ni- O 5 trure de silicium de 1,000 A, déposée par lo procédé de décharge luminescente à O fréquence radio, et une troisième couche de bioxyde de silicium de 14.000 A, déposée pyrolithiquement. On a trouvé qu'il n'y avait pas de mise en service mesurée inférieure à 100 volts, ù. ^ n'a pas été mesurée. Exemple n" 2 - - 10 Un sandwich diélectrique a été fait sur un substrat en silicium de la ma- O nière suivante : une première couche d'oxyde à vapeur d'eau de 1.000 A, une O seconde couche de nitrure de silicium de 1,000 A, et une troisième couche O d'oxyde pyrolithique de 14.000 A. La tension de mise en service a été de 40 volts, et ■Û-yij, a été de 5 à 10 volts. 15 Exemple n" 3 Un sandwich diélectrique a été fait sur un substrat en silicium de la O manière suivante : une première couche d'oxyde à vapeur d'eau de 2.000 A, me O seconde couche de nitrure de silicium de 1,000 A, et une troisième couche 0 d'oxyde pyrolithique de 14.000 A. La tension de mise en service a été de 85 20 volts et a c^e ^ -^5 volts. Exemple n° 4 Un sandwich diélectrique a été fait sur m substrat en silicium de la O manière suivante ; me première couche d'oxyde à vapeur d'eau de 2.000 A, me O seconde couche de nitrure de silicium de 2.500 A. On n'a pas déposé d'oxyde 25 pyrolithique, La tension de mise en service a été de 50 volts. Exemple n° 5 Un sandwich diélectrique a été fait sur m substrat en silicium de la O manière suivante : me première couche d'oxyde à vapeur d'eau de 500 A, me O seconde couche de nitrure de silicium de 1,000 A, et me troisième couche O 30 d'oxyde pyrolithique de 12.000 A, La tension de mise en service a été de 45 volts. Exemple n° 6 Un sandwich diélectrique a été fait sur un substrat en silicium de la O manière suivante : me première couche d'oxyde à vapeur d'eau de 2.000 A, une O 35 seconde couche de nitrure de silicium de 3.000 A. On n'a pas déposé d'oxyde pyrolithique. La tension de mise 'en service à été de 50 volts. Exemple n" 7 Un sandwich diélectrique a été fait sur m substrat en silicium comprenant O me première couche d'oxyde pyrolithique de 14.000 A. 40 Le sandwich diélectrique optimal pour le MOST a été trouvé ôtre le sand 70i17405 2042629 5 wich de l'exemple n° 1. L'oxyde de l'électrode de commande a été un oxyde thermique sec, obtenu par oxydation du silicium pendant trente minutes dans de l'oxygène sec à 1.150°Cj et par recuit pendant une heure dans de"l'azote sec à 1.150°C. La durée d'oxyda-5 tion varie selon la profondeur souhaitée de l'oxyde» Toutefois, quand on forme un interface à faible charge, il est souhaitable d'oxyder à une température comprise entre lo150°C et 1.2G0°C la première couche du sandwich diélectrique 6, c'est-à-dire l'oxyde à vapeur d'eau^a été formée par oxydation du substrat de silicium dans une at-10 mosphère de vapeur d'eau à 920°C, L'oxyde à vapeur d'eau produit un interface plus perturbé avec une charge plus élevée. La charge de l'interface plus élevée est plus appropriée pour l'isolant du champ. On croît que ceci est dû aux groupes hydroxyles dans la vapeur d'eau qui ne sont pas présente dans le procédé d'oxyde thermique sec, 15 La couche de nitrure de silicium a été formée par le procédé de décharge luminescent à fréquence radio, qui est décrit dans le brevet d'invention n° 6907313 déposé le 14 Mars I9S9 par la demanderesse. L'oxyde pyrolithique et la couche de bioxyde de silicium située au-dessus du nitrure de silicium, ont été formés selon le procédé décrit dans le brevet 20 ci-dessus référencé. La couche pyrolithique est une couche capacitive et n'est pas nécessaire pour stabiliser l'interface .Toutefois , une couche pyrolithique faible peut être nuisible au dispositif, La figure 3 illustre un dispositif semiconducteur bipolaire, réalisé selon l'invention. Une couche épitaxiale 30, de conductivité de type N, est 25 déposée sur le substrat 31 en silicium, de conductivité de type P. Une région 32, de conductivité P, est diffusée dans la couche épitaxiale 30 pour la couche de base et la région d'émetteur 33* de eonductivité N+, est diffusée dans la couche de base 32. Une région 35# de type H+, a été diffusée préalablement dans le substrat 31» et des régions P 36, pour l'isolement, sont diffusées 30 dans la couche épitaxiale 30 et le substrat 31. L'oxyde normal .40, de base et d'émetteur, est déposé sur les régions de base et d'émetteur, et les contacts métalliques 4l et 42 sont déposés, respectivement, sur les régions de base et d'émetteur. - Le sandwich diélectrique optimal, pour les régions inactives du dispositif O O 35 bipolaire, comprend : 500 A d'oxyde à vapeur d'eau 45, 1.000 A de nitrure de o i silicium 46, et 8.000 A d'oxyde pyrolithique 47. Pour un but de simplicité, les lignes d'alimentation conductrices reliant les régions de base et d'émetteur st s'étendant sur les régions inactives ont été omises. L'invention s'applique ici seulement à des dispositifs à mode d'augmenta-40 tion de canal P. La charge positive élevée est seulement requise sur les ré 70 17405 2042629 6 gions de type N, dans les dispositifs MQSE et bipolaires. L'invention élimine l'utilisation des structures diffusées ou du type à anneau de garde, afin d'empêcher le renversement de la surface de silicium. Les structures à anneau de garde nécessitent une zone de copeaux supplémen-5 taire et les dispositifs résultant présentent des courants de fuite plus élevés. Le procédé est particulièrement applicable (mais non limité) à du sili-. cium à cristal simple orienté "iCO", par suite de son plus faible nombre propre d'états de surface et par suite de son seuil inférieur. 10 Pour améliorer encore la stabilité de 1'oxyde pyrolithique, on l'a sou mis à une ambiance phosphoreuse à 1.080°C pendant cinq à quinze minutes. Ensuite, le phosphore a été dévemis dans une solution d'acide fluorhydrique à dix contre un. Le dispositif a ensuite été rais dans de l'azote, après un cycle de recuit de soixante dix minutes à 1.150"C. Le dispositif a ensuite 15 été métalllsé_et soumis à un traitement thermique combiné et un traitement électrique à 200°G et un champ électrique de un million de volts par centimètre pendant seize heures» Apres le traitement thermique et le traitement électrique, la du dispositif est devenue inférieure à dix volts. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-20 dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. f 70 17405 2042629 7 REVENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte : - un matériau semiconducteur présentant dos régions actives et inactivcs ; - une surface semiconductrice do régions actives contenant un faible nombre 5 d'états de surface et présentant une tension de seuil faible ; - une surface semiconductrice de régions non actives contenant un nombre élevé d'états de surface et présentant me tension de seuil élevée. 2. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les régions actives comprennent des zones diffusées à l'intérieur 10 du matériau semiconducteur et une couche diélectrique mince, située sur la surface du matériau semiconducteur, entre les zones diffusées et les contacts métalliques situés sur les zones diffusées et la couche diélectrique. 3. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche diélectrique est située sur la surface du matériau semiconduc- 15 teur, dans la région inactive, la couche diélectrique comprenant au moins une première couche de bioxyde de silicium et une couche de nitrure de silicium, située au-dessus. 4. Dispositif semiconducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche diélectrique comporte me seconde couche de bioxyde de silicium 20 située sur la couche de nitrure de silicium. 5. Dispositif semiconducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première couche de bioxyde de silicium est produite en chauffant le matériau diélectrique dans me atmosphère de vapeur d'eau. 6. Dispositif semiconducteur, selon la revendication 4, caractérisé en 25 ce que : - la première couche de bioxyde de silicium a me épaisseur comprise entre O O 500 A et 2.000 A ; O - la couche de nitrure de silicium a me épaisseur comprise entre 1.000 A ot O 3.000 A ; 30 - la seconde couche de bioxyde de silicium a mo épaisseur comprise entre 8.000 A et 14.000 A. 7. Dispositif semiconducteur selon la revendication 4, caractérisé eh ce que : O - la première couche de bioxyde de silicium a me épaisseur de 5°0 A ; O 35 - la couche de nitrure de silicium a me épaisseur de 1.000 A ; O - la seconde couche de bioxyde de silicium a me épaisseur de 14.000 A 8. Dispositif semiconducteur selon la revendication 7» caractérisé en ce que la couche de nitrure de silicium est enlevée à la jonction des régions actives et inactives et en ce que la couche de bioxyde de silicium est con-40 tigue à la première couche de bioxyde de silicium. 70 17405 2042629 8 9* Dispositif* semiconducteur scion la revendication 8, caractérisé en ce que la couche diélectrique mince de la région active recouvre la seoonde couche de bioxyde de silicium et est située sous la première couche de bioxyde de silicium, tout en étant contigue aux première et seconde couches de bioxyde 5 de silicium. 10. Dispositif semiconducteur selon la revendication 3* caractérisé en ce que : O - la couche de bioxyde de silicium a une épaisseur comprise entre 500 A et O 2.000 A ; o 10 - la couche de nitrure de silicium a une épaisseur comprise entre 1.000 A O et 3.000 A. 11. Dispositif semiconducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde couche de bioxyde de silicium est soumise à une diffusion phosphoreuse. 15 12. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur est un silicium à existai simple orienté "lOO'J