Brevet FR2024111A1 — publié le 19700828

La présente invention concerne des dispositifs perfectionnés à couche d'arrêt et leur procédé de fabrication. Les dispositifs à couche d'arrêt qui comportent des diodes à couche d'arrêt superficielle et reposent sur la con-5 duction non ohmique d'une jonction métal-semi-conducteur sont bien connus. Cependant, la caractéristique inverse mal définie qui semble être un défaut général de ces dispositifs limite leur possibilité de mise en oeuvre dans certaines applications importantes. Le phénomène responsable de ce comportement anormal a été identifié 10 récemment et consiste en une décharge inverse prématurée provoquée par des effets de bord intéressant la Jonction. On a proposé, pour remédier à cet inconvénient, de réaliser les diodes de manière que la jonction soit essentiellement "planare" (sur une même surface plane) sur toute son étendue. Un procédé d'obtention de cette struc 1 5 ture consiste à utiliser un anneau de garde à jonction p-n, décrit dans le "Bell Systèm Technical Journal, Vol. 47, N° 2 pp. 195-208 (1968). On a observé que des diodes réalisées selon ces principes ont des caractéristiques de décharge inverse nettes, quasi-parfaites. Il est évident qu'une diode Schottky réalisée avec un anneau 20 de garde est un dispositif utile et qui peut être important. Il est également évident que des considérations semblables s5 appliques aux jonctions p-n classiques, puisque l'allure du champ dans la région d'une couche d'arrêt Schottky est directement comparable à l'allure du champ daq.s la région d'une jonction p-n, et la couche 25 d'arrêt Schottky peut être considérées pour la présente invention, comme une mince jonction p-n. Par conséquent, du point de vue le plus général, la présente invention est applicable aux "dispositifs à couche d'arrêt", expression devant englober toutes les diverses formes d@ jonctions redresseuses» 30 Le dispositif à couche d'arrêt perfectionné, dans lequel l'anneau de garde est une couche isolante réalisée dans sa surface plane, a une structure différente de celle des dispositifs à anneau de garde à jonction p-n proposée antérieurement. Si on les compare avec les anneaux de garde connus à jonc-35 tion p-n, les anneaux de garde isolants sont avantageux à cause de leur simplicité propre et parce que la diode peut être réalisée avec des résistances série plus faibles de la couche support ou substrat. La capacité en parallèle de la jonction p-n est également supprimée. Plus précisément, on a observé que la tension de claquage 69 40015 2 2024111 ou'décharge inverse d'une couche d'arrêt Schottky protégée par une jonction p-n est fortement influencée par le gradient des impureté (agents de dopage) de la jonction et qu'une jonction à échelonnement progressif favorise cette décharge. Cependant, une jonction à 5 échelonnement exige un support plus épais qui contribue à augmenter la résistance parasite. La présence de capacités parai lèles indésirables attribuables à la présence de l'anneau de garde à jonction est évidente. L'invention concerne également les procédés de 1 0 traitement pour la réalisation de structures à anneaux de garde isolants. Bien qu'il existe indubitablement de nombreuses possibilités de réalisation de dispositifs à couche d'arrêt avec des anneaux de garde isolés, ceux décrits ci-après sont particulièrement compatibles avec les techniques planares et celles de traite-* 5 ment avec un conducteur épais à plusieurs couches. Par exemple, une série d'opérations de fabrication, qui est orientée vers les dispositifs à couche d'arrêt sili— cium-siliciure métallique fait intervenir les opérations ci-après dépôt d'une couche isolante superficielle sur un substrat de sili-20 cium, ouverture par attaque chimique d'une fenêtre dans cette couche isolante, dépôt d'une pellicule de métal formant un siliciure dans ladite fenêtre, dépôt d'un contact métallique à l'intérieur de ladite fenêtre de manière à laisser subsister un espace annulai re entre le contact et l'oxyde, et oxydation du siliciure mis à nu 25 dans l'anneau ainsi que de la surface constituée par du silicium et située au-dessous de 1'intersurface, de manière à former un anneau de garde constitué par un oxyde. Cet anneau de garde est mis en place avantageusement avec précision, car le contact métallique forme un masque pendant l'opération finale d'oxydation. 30 Une autre solution qui a des applications plus générales associe l'opération de formation de l'anneau de garde isolant avec une opération de passivation et inclut la caractéristique du procédé décrit ci-dessus consistant à mettre en place l'anneau de garde par rapport à la couche d'arrêt en utilisant le 35 contact métallique comme masque pendant l'oxydation. Un avantage additionnel de cette série d'opérations est l'absence de masque d'oxyde. La suppression de cette opération, qui avait été admise comme condition normale dans la technologie "planare", constitue un progrès. 69 40015 5 2024111 La présente invention concerne par conséquent un procédé de réalisation d'un dispositif à couche d'arrêt au silicium, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations ci-après : dépôt d'une couche isolante sur un substrat de silicium, réalisa-5 tion d'une fenêtre dans la couche isolante, dépôt d'une couche de siliciure métallique dans ladite fenêtre, réalisation à l'intérieur de ladite fenêtre d'un contact métallique-mais écarté de celle-ci sur sensiblement tout son périmètre de manière à constituer un anneau de siliciure métallique à nu- et formation d'un anneau de 10 garde isolant par croissance d'une eouche isolante dans l'anneau de siliciure métallique et dans la surface du silicium jusqu'à une profondeur au moins égale à celle de la couche de siliciure métallique. D'autres objets et avantages de l'invention seront 15 mieux compris à l'aide de la description détaillée qui va suivre et des dessins sur lesquels, la figure 1 est une coupe transversale d'un substrat de silicium traité conformément à l'invention ; et la figure 2 est une coupe transversale d'un dis-20 positif à couche d'arrêt au silicium traité selon une variante du procédé de l'invention. Le substrat 10 de la figure 1 est en silicium n+ et comporte une couche 11 du type n sur sa surface. La surface de cette couche est oxydée par des procédés connus, tels que l'oxyda- 25 tion par la vapeur d'eau ou par un plasma ou par dépôt pyrolytique de SiÛ2 de manière à former une couche d'oxyde 12 sur la surface de la couche n 11. Cette couche peut avoir une épaisseur comprise o entre 1000 et 10 000 A, bien que ces limites ne soient pas déterminantes. La couche d'oxyde est ensuite attaquée chimiquement de 30 manière à mettre à nu une fenêtre ayant une dimension moyenne a de l'ordre de 25 microns, bien que cette dimension soit donnée à titre d'exemple seulement. Un métal pouvant former un siliciure est déposé dans cette fenêtre. Les métaux les plus efficaces pour la formation de siliciures sont le nickel, le titane, le zirconium, 35 l'hafnium et les six métaux de groupe du platine. On peut réaliser ce dépôt par plusieurs techniques connues telles que 1'évaporation ou la pulvérisation. Le métal peut être vaporisé ou pulvérisé sur la totalité de la surface et l'ensemble peut être chauffé à une 69 40015 4 2024111 température supérieure à 400° C, en général de l'ordre de 700° C, pour favoriser la formation de la couche 13 de siliciure dans la fenêtre, le métal restant sur 1*oxyde peut alors être éliminé par attaque chimique ou par bombardement ionique. L'épaisseur de la 0 • 5 couche déposée peut être de 1000 A et elle peut varier sans xncon- O - vénieiit de 400 à 2000 A. Après formation du siliciure, la surface du dispositif est recouverte d'une couche 14 de titane et d'une couche 15 de platine de manière à.constituer une partie d'un contact classique du type conducteur épais. Les couches peuvent avoir 10 des épaisseurs de 1000 et 3000 A, mais on peut s'écarter sensiblement de ces valeurs. On doit utiliser une quantité suffisante de titane pour que le contact du type conducteur épais à plusieurs couches adhère énergiquement au silicium et joue le rôle utile d'élément de sorption ("getter"). Une épaisseur comprise entre 500 0 1 5 et 2000 A suffit à cet effet. La couche de platine sert simplement à séparer la couche de titane du revêtement d'or (gjpliqué ultérieurement) et son épaisseur doit être légèrement supérieure à celle de 0 la couche de titane, par exemple 1000 à 5000 A. Le revêtement classique 16 d'or est ensuite déposé sur une partie du contact titane-20 platine de manière à laisser subsister une couronne circulaire entre ledit revêtement et l'oxyde entourant la fenêtre. Cé revêtement a une épaisseur de 1 à 20 microns, par exemple. Cette épaisseur doit être au moins do-uble de l'épaisseur totale des couches titane-pla-tine pour permettre d'avoir recours à l'opération de bombardement 25 ionique décrite ci-après, mais ceci mis à part , elle est sans importance. Le contact peut être déposé par voie électrolytique de manière connue. La forme ou les dimensions dudit contact métallique sont sans importance tant que l'anneau placé entre le contact et la couche d'oxyde est conservé. Le platine mis à nu est ensuite 30 éliminé par bombardement ionique. Pendant cette opération, le revêtement d'or sert de masque, car il délimite la région où subsiste le platine. Le bombardement ionique du revêtement d'or lui-même est sans importance étant données les épaisseurs relatives des couches concernées. Un procédé de bombardement ionique utilisable pour 35 cette opération ainsi que'pour d'autres étudiées dans le présent mémoire est décrit dans le brevet des Etats-Unis d*-Amérique n° 3.271 La série ci-dessus d'opérations est indiquée uni 69 40015 5 2024111 quement à titre d'exemple. De nombreuses variantes peuvent conduire au même résultat. Par exemple, si le siliciure est déposé sur la totalité de la surface du substrat avant la formation de la couche d'oxyde 12, il est inutile d'éliminer le métal formant un siliciure 5 de la surface de l'oxyde. L'objectif a atteindre à ce stade du procédé est la réalisation d'un anneau entre le contact métallique et la couche d'oxyde. L'ensemble est ensuite soumis à une opération d'o-xyàaçliûa-^g-our faire croître une couche d'oxyde dans la surface du 10 siliciure qui, par exemple, peut être du siliciure de zirconium mis à nu dans l'anneau. On peut faire croître cette couche par le procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.337.438. Il ne suffit pas de déposer une couche d'oxyde dans la couronne, lorsque l'anneau de garde isolant doit se prolonger au-dessous de 15 la surface et au-dessous de l'intersurface silicium-siliciure métallique jusqu'à une profondeur dépassant l'épaisseur de la charge spatiale. En particulier, il serait en général suffisant que la 0 couche isolante pénètre au moins à 1000 A au-dessous de-l'intersurface silicium-siliciure métallique. Si l'on utilise du platine com-20 me métal farmateur de siliciure, on élimine de préférence le siliciure de platine par bombardement ionique avant l'oxydation, car le siliciure de platine résiste à l'oxydation. L'ensemble obtenu est un dispositif à couche d'arrêt dans lequel l'anneau de garde constitué par un oxyde est tel que ladite couche d'arrêt est plane sur 25 toute son étendue. L'anneau de garde constitué par un oxyde se forme exactement à l'alignement avec le contact métallique, car celui-ci constitue un masque pendant la croissance de la couche d'oxyde. Un autre procédé pour la formation d'un anneau de garde à base d'oxyde, qui- est à préférer à cause de sa simplicité, 30 est décrit en regard de la figure 2. Un substrat 20 de silicium avec une couche n 21 est soumis à l'action d'un métal formateur de siliciure de manière à former une couche 22 de siliciure métallique sur toute la surface du semi-conducteur. Le contact métallique 23 est ensuite déposé sur la surface du siliciure par évaporation et 35 par attaque chimique localisée selon les techniques bien connues des couches minces. Ledit contact peut être constitué par un métal conducteur tel que l'or ou le titane, ou bien un métal fUmogène ou à effet de soupape tel que l'aluminium, le tantale, le niobium, le tungstène, le zirconium ou l'hafnium. L'ensemble est ensuite oxydé 69 40015 6 2024111 par exemple par la technique du plasma mentionnée à propos du traitement du dispositif de la figure 1 . La couche d'oxyde croît à la surface du siliciure et à la surface du contact métallique s'il est constitué par un métal filmogène. La région ainsi transformée 5 est délimitée sur la figure 2 par la ligne en traits interrompus 24 indiquant la profondeur dé pénétration de l'oxygène. Le siliciure situé au-dessous du contact reste inaltéré (tant que le contact métallique est" suffisamment épais pour empêcher la pénétration de l'oxygène) mais est entouré par un anneau de garde isolant consti-10 tué par un oxyde. L'opération d'oxydation qui sert à la formation de l'anneau de garde joue un double rôle, incluant l'isolement de la totalité de la surface du dispositif. Bien que la description ci-dessus concerne principalement les couches d'arrêt métàl-siliciure, l'invention est 15 également applicable aux couches d'arrêt courantes métal-semi-con-ducteur, telles que : aluminium sur silicium, palladium sur germanium, or sur arséniure de gallium ou d'autres combinaisons dans lesquelles la surface du substrat constitue l'intersurface servant de couche d'arrêt. 20 Ci-après quelques exemples non limitatifs de l'in vention. EXEMPLE 1 On décrit dans cet exemple un procédé de réalisation d'un ensemble semblable à celui représenté sur la figure 1 . 25 On utilise comme substrat une plaquette 10 de si licium avec une couche épitaxiale 11 de résistivité voisine de 1 ohm.cm, du type n. On forme une couche d'oxyde 12 de 5 microns d'épaisseur par pyrolyse du tétra-éthoxysilane dans l'hydrogène à 900° G, ou d'un mélange de SiCl^, C0£ et H2 à 1000° 0 environ, ces 30 procédés étant bien connus pour l'obtention de couches de Si02« Cet oxyde est attaqué chimiquement par des procédés connus de photo-lithographie de manière à former une fenêtre dont la dimension a (figure 1) est égale à 25 microns. Ensuite, on forme par pulvérisation sur la surface de l'ensemble, en utilisant un procédé 35 connu, une couche de zirconium de 0,1 micron d'épaisseur. On chauffe la couche et le substrat à 700° C de manière à former du siliciure de zirconium dans la fenêtre de la couche d'oxyde.. Le zirconium recouvrant la couche d'oxyde peut être éliminé si on le dési- 69 40015 7 2024111 re par 1 'acide fluorhydrique dilué qui dissout le zirconium mais n'attaque pas" de manière appréciable le siliciure de zirconium. En variante, la couche 13 de siliciure peut être déposée sur la totalité de la surface du substrat avant la formation de la couche 5 d'oxyde 12, auquel cas l'opération d'élimination du zirconium de la surface de la couche d'oxyde est supprimée. Pour former le contact métallique, on dépose par pulvérisation cathodique, 0,15 micron de titane sur cette surface, puis 0,35 micron de platine. L'opération de pulvérisation est également connue. Il est préféra-10 ble dans ce cas d'utiliser un système à deux cathodes comme celui décrit dans la Eev. Sci. Inst., 32, pages 642-645 (1961). Ensuite, on dépose 12 microns d'or sur le contact platine-titane par voie électrolytique de manière connue en utilisant, par exemple, la technique de dépôt décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Améri-15 que n° 2.905.601 . La région du dépôt électrolytique a des dimensions telles qu'elle forme l'espace annulaire compris entre le contact du type conducteur épais à plusieurs couches 14, 15, 16 de la figure 1 et la limite de la fenêtre 12 ménagée dans l'oxyde. Cet 20 ensemble est soumis à un bombardement ionique, opération au cours de laquelle le platine et le titane de l'anneau sont éliminés. Une épaisseur d'or correspondante disparaît pendant cette opération mais elle est faible par rapport à l'épaisseur du revêtement d'or. L'anneau de garde constitué par un oxyde est alors réalisé par 25 croissance d'une couche d'oxyde dans le siliciure de zirconium mis à nu, en utilisant le contact métallique comme masque. Cette oxydation est exécutée en exposant la couche de siliciure à l'action d'un plasma d'oxygène à haute énergie. Ce plasma est engendré par une source hyperfréquences d'une puissance de 300 à 1000 W à 2450 30 MHz dans l'oxygène sous une pression de un torr, avec une tension de polarisation continue de 70 V entre les électrodes. D'autres détails concernant ce procédé figurent dans le brevet des Etats- precite Unis d'Amerique n° 3.337.438/",, On fait croître la couche d'oxyde o jusqu'à ce que son épaisseur atteigne environ 2000 A, ce qui exi-35 ge une mise en contact d'environ 20 mn avec le plasma d'oxygène. L'ensemble obtenu contient une couche d'arrêt pla-nare sous-jacente entourée d'un anneau de garde isolant. EXEMPLE 2 69 40015 8 2024111 Cet exemple concerne un procédé de réalisation de l'ensemble à anneau de garde d'oxyde de la figure 2, qui est caractérisé par sa simplicité et son économie. Comme dans l'exemple 1 , on emploie un substrat 20 5 de silicium du type n de faible résistivité recouvert d'une couche épitaxiale 21 de résistivité plus grande (environ un ohm.cm). Une couche 22 de siliciure de zirconium est formée par une technique qui est sensiblement la même que celle décrite ci-dessus à propos de la formation de la co~uche 14 de la figure 1 . Un contact métalli-10 que constitué par une pêH i nul e ri ' aluminium dp 10J\ d'épaisseur est réalisé sur la couche de siliciure .par évaporation, en utilisant un gros filament de tungstène porté à 1200 0 C (tension de vapeur de l'aluminium : 10 torr). Ce contact est délimité, après formation d'un masque par photo-lithographie classique, par attaque 15 chimique avec NaOH diluée. L'ensemble obtenu est oxydé comme dans l'exemple 1 de manière à former l'anneau de garde d'oxyde autour de la couche d'arrêt sous-jacente. L'opération d'oxydation forme également une couche isolante sur le contact en aluminium. Dans le présent exemple, l'opération d'oxydation joue un double rôle impor-20 tant : formation de l'anneau de garde isolant et isolement de la surface du dispositif, y compris le contact métallique. Un contact électrique avec la pellicule 23 réalisé par exemple par un fil, un conducteur épais à plusieurs couches ou un circuit imprimé peut être établi de préférence avant l'oxydation. 25 On observe que les diodes à couche d'arrêt réali sées par ce procédé présentent de bonnes caractéristiques de claquage inverse. Un claquage brusque se produit vers 40 Y, ce qui est très proche de la valeur théorique. EXEMPLE 3 30 On opère dans cet exemple comme dans l'exemple 2, sauf qu'on supprime la couche de siliciure métallique. Le contact d'aluminium forme une couche d'arrêt avec le substrat de silicium et l'oxydation est réalisée directement. Bien que les caractéristiques électriques de la couche d'arrêt aluminium-silicium diffèrent 35 de celles de la couche d'arrêt silicium-siliciure de l'exemple 2, l'anneau de garde d'oxyd^-Hènstitue l'élément essentiel de l'invention, est aussi efficace. Bien que certaines parties de la description ci- 69 40015 9 2024111 i . - dessus concernent principalement des couches d'arrêt siliciure'métallique - silicium et des anneaux de garde d'oxyde, on admet que la portée de la présente invention est plus générale, l'invention a essentiellement pour objet un anneau de garde isolant associé à 5 une couche d'arrêt. Par exemple, une variante évidente consisterait à utiliser un anneau de garde constitué par du nitrure de silicium. Ce dernier pourrait être obtenu par un procédé presqu'identique à celui décrit à propos de la formation de l'anneau de garde d'oxyde. La substitution d'un plasma d'azote au plasma d'oxygène au cours de 10 l'opération d'oxydation est très facile. La seule condition essen-. tielle pour les applications de l'invention est que l'anneau de garde soit isolant. Bien qu'il existe sans doute d'autres possibilités, l'utilisation de l'azote, de l'oxygène et du carbone et de composés de ces derniers tels que NO et CO+y serait très probable-15 ment intéressante sur la base des faits connus. De plus, l'anneau de garde peut être associé à d'autres couches d'arrêt métal semiconducteur, par exemple du type palladium-germanium et or-arséniure de gallium. L'expression "anneau" employée est un terme commode pour définir un contour. Evidemment, ce contour peut avoir d'autres for-20 mes, par exemple la forme d'une étoile ou d'un polygone. Il va de soi que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif et nullement limitatif et qu'elle est susceptible de nombreuses variantes sans sortir de son cadre. 69 40015 10 2024111 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un dispositif à couche d'arrêt au. silicium, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations ci-après : dépôt d'une couche isolante sur un substrat 5 de silicium, formation d'une fenêtre dans ladite couche isolante, formation d'une couche de siliciure métallique dans ladite fenêtre, formation à l'intérieur de ladite fenêtre d'un contact métallique qui est -cependant écarté de celle-ci sur la quasi-totalité de son pourtour de manière à former un anneau de siliciure métallique à 10 découvert, et formation d'un anneau de garde isolant par croissance d'une couche isolante dans l'anneau de siliciure métallique et dans la surface du silicium jusqu'à une profondeur au moins égale à celle de la couche de siliciure métallique. 2. Procédé de réalisation d'un dispositif à couche 15 d'arrêt, caractérisé par les opérations ci-après : dépôt d'un contact métallique sur un substrat semi-conducteur de manière à former une barrière redresseuse métal semi-conducteur et mise en contact des parties à découvert du substrat, autour cfu contact métallique, avec un plasma gazeux contenant des ions choisis dans le 20 groupe comprenant l'oxygène, l'azote, le carbone et les mélanges et combinaisons de ces gaz dans des conditions telles que ledit semi-conducteur est transformé en une région isolante autour du contact métallique et au-dessous de la surface du substrat semiconducteur, en laissant sensiblement intacte la couche d'arrêt mé-25 tal-semi-conducteur. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat est du silicium. 4. Procédé de réalisation d'un dispositif à couche d'arrêt, caractérisé par les opérations ci-après : formation 30 d'une couche de siliciure métallique à la surface d'un substrat plan de silicium, de manière à réaliser une couche redresseuse mé-tal-siliciure métallique, dépôt d'un contact métallique sur la couche de siliciure métallique■et mise en contact, tout au moins des parties à découvert, de la couche de siliciure métallique entourant 35 le contact métallique avec un plasma gazeux contenant des ions choisis dans le groupe comprenant l'oxygène, l'azote, le carbone, et des mélanges ou combinaisons de ceux-ci dans des conditions 69 40015 n 2024111 telles que le silicium métallique est transformé en une région isolante entourant le contact métallique tout en laissant la couche d'arrêt métal-siliciure métallique située au-dessous du contact métallique sensiblement intacte et l'action du plasma gazeux étant 5 poursuivie jusqu'à ce que la profondeur de la couche isolante située au-dessous de la surface dépasse la profondeur de la couche de siliciure métallique. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 , 2 et 4, caractérisé en ce que le contact métallique est- constitué par 10 • du zirconium, de l'hafnium, de l'aluminium, du tungstène, du tantale, ou du niobium et est lui-même soumis à l'action du plasma gazeux de manière à former un revêtement isolant à la surface dudit contact. 6. Procédé selon l'une des revendication 1 et 4, 1 5 caractérisé en ce que le composant métallique du siliciure métallique est choisi dans le groupe comprenant le nickel, le titane, le zirconium, l'hafnium et les six métaux du groupe du platine.