Brevet FR2017604A1 — publié le 19700522

La présents invention concerne des dispositifs semiconducteurs microélectroniques et, plus particulièrement, des procédés de fabrication de ces dispositifs par diffusion d'impuretés déterminant la conductivité. Le fonctionnement des dispositifs semiconducteurs dépend de la présence 5 des porteurs sélectionnés dans les régions sélectionnées de la structure semi-conductrice. Le terme "porteurs" signifie les trous libres ou électrons qui sont responsables de la conduction au travers d'un matériau semiconducteur. Le terme "porteurs majoritaires" se réfère aux porteurs libres qui sont les plus nombreux et qui déterminent les caractéristiques de conductivité dans 10 une région donnée du matériau semiconducteur, c'est-à-dire les trous dans le matériau de type P, les électrons dans le matériau de type N. Le terme "porteuis minoritaires" se réfère aux porteurs le moins nombreux, c'est-à-dire les trous dans le matériau de type N, les électrons dans le matériau de type P. Des régions de type N ou les régions de type P sont généralement formées par la dif-15 fusion d'impuretés déterminant la conductivité dans les régions sélectionnées du substrat semiconducteur. Les impuretés déterminant la conductivité qui produisent une majorité de trous libres dans une région donnée sont connues comme étant des impuretés du type P et produisent une région de type P. Par ailleurs, une impureté qui résulte en une majorité d'électrons dans une région donnée 20 est connue sous le nom de matériau de type N et la région, comme région de type N. Une manière classique d'incorporer des impuretés déterminant la conductivité dans un substrat semiconducteur consiste à former un masque servant d'écran à la diffusion fait dans un matériau tel que du bioxyde de siliciu, du nitrure de silicium ou de l'oxyde d'aluminium sur le substrat semiconducteur 25 ayant des ouvertures correspondante aux régions dans lesquelles doit être diffusée l'impureté déterminant la conductivité. Ensuite, les impuretés déterminant la conductivité sont diffusées soit à partir de l'état solide soit à partir de l'état gazeux au travers des ouvertures faites dans le masque vers le substrat semiconducteur. Après une étape de diffussion donnée, il est clas-30 sique de recouvrir fes ouvertures du matériau formant le masque écran, c'est-à-dire dans le cas d'un masque de Si02, de réoxyder le silicium exposé dans les ouvertures du masque. Ensuite, des orifices supplémentaires peuvent être faits dans la couche écran ou couche protectrice pour d'autres diffusions ou la couche peut être enlevée et une couche peut être déposée pat croissance 35 épitaxiale sur la surface semiconductrice. Le dernier procédé est utilisé pour la formation des régions enterrées ayant un type de conductivité sélectionné dans une structure semiconductrice. □ans les procédés ou les couches sont formées par croissance épitaxiale sur un substrat préalablement spumis à la diffusion, des défectuosités par 40 exemple des défauts d'empilement indésirables apparaissent dans toute la cou 69 27265 2 2017604 che épitaxiale. Ces défectuosités produisent des irrégularités dans la couche épitaxiale, ce qui a pour résultat de créer des courts circuits dans les dispositifs alors fabriqués, des caractéristiques de résistivités indésirables ainsi que des irrégularités dans la surface de la couche épitaxiale, défectuo-5 sités qui tendent à se retrouver dans les autres étapes du traitement, telles que le masquage. En conséquence, un objet de la présente invention consiste à fournir un procédé ds diffusion d'impuretés déterminant la conductivité, qui n'ait pas d'effets néfastes sur les autres étapes du traitement. 10 Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un procédé de diffusion qui n'ait aucun effet sur les couches épitaxiales formées par la suite. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un procédé de formation d'une couche épitaxiale dépourvue de tout défaut d'empilement sur 15 un substrat semiconducteur ayant subi préalablement des diffusions. Un autre objet de la présente invention consiste è fournir un procédé de diffusion qui réduise las défectuosités de surface attenantes sur le substrat semiconducteur. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un procédé 20 d'élimination des défauts se trouvant dans la surface du substrat semiconducteur et qui résultent des étapes de diffusion. Un autre objet de la présente Invention consiste à fournir un procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur ayant une région enterrée. Un autre objet de la présente invention Consiste à fournir un procédé 25 de fabrication d'une structure semiconductrice ayant une couche épitaxiale avec un minimum de défauts d'empilement sur un substrat semiconducteur préalablement diffusé et utilisant des moyens optiques pour obtenir un alignement correct durant tout autre traitement. Il s'est avéré que les défauts d'empilements dans la couche épitaxiale 30 étaient due aux irrégularités et aux défectuosités de surface dans le substrat semiconducteur. Ces défectuosités résultent du procédé de diffusion qui est réalisé de façon classique à des températures dépassant 1000°C pendant plusieurs heures. Conformément à la présente invention, après la diffusion, le masque servant d'écran à la diffusion est complètement enlevé et le substrat semicon-35 ducteur est réoxydé afin de convertir la surface du substrat en un oxyde tel que le bioxyde de silicium. Ensuite, la couche d'oxyde est enlevée. La surface restante est totalement dépourvue de toutes défectuosités de surface qui jouent le rôle de centre de nucléation pour les défauts d'empilement dans la croissance épitaxiale ultérieure sur la surface. Une couche totalement dépourvue de 40 tout défaut peut maintenant être obtenue par croissance épitaxiale sur le subsBAD ORIGINAL 69 27265 3 2017604 trat semiconducteur. Tandis que l'avantage du procédé de diffusion de la présente invention est relié à la formation des couches épitaxiales, le procédé de la présente invention offre des avantages d'aspects différents dans la fabrication des 5 semiconducteurs. Les défectuosités de surface résultant des conditions de diffusion appraissent à l'interface du substrat et de la couche de masquage qui est par exemple, une couche de SiO^. Ces défectuosités interviennent dans le fonctionnement du masque en tant que couche de passivation dans les dispositifs utilisant le masque comme couche de passivation dans la structure finale. 10 L'efficacité de la couche de passivation en tant qu'écran contre les ions métal liques de contamination, tels que les ions sodium, apparait être réduite. Par ailleurs, la passivation efficace du dispositif peut être réalisée en enlevant le masque au bioxyde de silicium après la diffusion et en réoxydant le substrat semiconducteur. 15 D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, en se reportant aux dessins annexés qui représentent en coupe un organigramme montrant les étapes mises en jeu pour la réalisation de la diffusion et des autres étapes de dépôt épitaxial conformément à un mode de réalisation de la présente invention. 20 Une pastille de type de conductivité P , ayant de préférence une résisti- vité de 10 à 20 ohms/cm et une épaisseur d'environ 0,20mm est utilisée en tant que substrat de départ 10 et est représentée à l'étape 1. La pastille est de préférence une structure de silicium monocristalline qui peut être fabriquée au moyen de procédés classiques tels que par tirage d'un semiconducteur au 25 silicium à partir d'une fusion contenant la concentration d'impuretés requise et ensuite par sciage du barreau semiconducteur en plusieurs pastilles. Les pastilles sont, rodées et chimiquement polies suivant l'épaisseur requise. Les pastilles sont orientées en faisant un angle de 4° C± 0,5°3 avec l'axe d'orientation (111.) en direction de l'axe d'orientation C1103. 30 Suivant l'étape 2, un revêtement d'oxyde 11, de préférence du dioxyds de silicium ayant une épaisseur d'environ 5000 A, est soumis à une croissance thermique par chauffage classique dans une atmosphère d'oxygène sec pendant 15 minutes à 970°C opération suivie par un chauffage dans une atmosphère humide ou de vapeur d'eau à 970°C pendant 100 minutes, opération qui se poursuit pen-35 dant 5 autres minutes dans une atmosphère sèche à ladite température. Si besoin est, la couche d'oxyde peut être formée par dépôt pyrolytique ou par pulvérisation à haute fréquence comme le décrit le brevet US n° 3 369 991. Par des procédés d'attaque et de masquage photographique classiques, une couche photorésistante est déposée sur la couche d'oxyde et, en utilisant la 40 couche photorésistante comme masque, des régions superficielles sont exposées > BAD OBIGIUA^ 69 27265 4 2017604 sur la surface de la pastille en faisant disparaître par décapage, ou attaque, chimique la couche au bioxyde de silicium au moyen d'une solution tampon d'acide fluorhydrique. La couche photorésistante est ensuite enlevée, laissant la structure telle qu'elle apparait à l'éta|e 3, dans laquelle la couche au bioxyde 5 de silicium 11 sert de masque ayant une ouverture 12 par laquelle peut être réalisée toute autre diffusion dans le substrat semiconducteur. Puis, en utilisant une composition décapante sélective qui attaque le silicium, de préférence au bioxyde de silicium, une cavité 13 est corrodée dans le substrat 10 par l'orifice 12 du masque 11. Une composition qui peut être 10 utilisée pour attaquer le silicium est un agent corrosif acide ayant la composition suivante: Parties en Volume 5% d'h^SO^ aqueux 8 Acide fluorhydrique 15 (4,8% dans une solution aqueuse) ... 3 10% de CrQg aqueux 2 Eau ............................... 40 Puis3 une région 14, de type N+, représentée sur l'étape 5, est formée dans le substrat 10 par un procédé de diffusion, au travers du masque 11, d' ÏO impuretés de type N. L'opération de diffusion se fait dans une capsule de quartz dans laquelle on a-fait le vide en utilisant une poudre de silicium dégénéré dopée à l'arsenic à une température de 1103°C pendant une période de 16 heures. La région obtenue finalement, de type N+, a une résistance superficielle de 2 1,5 ohms/cm . 25 Ensuite, en utilisant une solution d'acide fluorhydrique concentré, le masque au bioxyde de silicium 11 est enlevé, laissant la structure représentée à l'étape 8 dans laquelle le substrat 10 présente un évidement 13 dans la surface de la région 14 de type N+. Ensuite, la surface de la pastille est réoxydée par le cycle d'oxydation 30 décrit préalablement pour former une nouvelle couche d'oxyde 15 ayant une é- paisseur de 5000 A, comme le montre l'étape 7. De préférence, la couche d'oxyde devrait avoir une épaisseur d'au moins 4500 A. La couche 15 est enlevée, en utilisant une solution d'acide fluorhydrique concentré pour laisser la structure telle qu'elle apparait à l'êtapa 8. La 35 structura est rslativement dépourvue de toutes les défectuosités de surface qui pourraient avoir existé dans la structure représentée dans la figure S, comme résultant de l'étape d=diffusion. L'évidement 13 dans cette structure est utilisable en tant qu'indicateur optique des limites de la région 14 de type N*. Parwi las nombreuses autres étapes de traitement pouvant intervenir 40 dans la fabrication de ce dispositif, il est nécessaire d'indiquer les liml- BAD ORIGINAL 69 27265 2017604 tes de la région 14 pour l'alignement du masque. Ensuite, comme le montre l'étape 9, on fait croître une couche épitaxiale de type de conductivité N, ayant de préférence une résistivité d'environ 0,1 ohm/cm, sur la surface du substrat 10 au moyen des procédés classiques à une température d'environ 1210°C. La 5 région épitaxiale contient de l'arsenic comme impureté et a une épaisseur d'environ 5 microns. Ainsi, la région 14 est une couche enterrée qui peut être utilisée en combinaison avec les zOnes de conductivité sélectionnées dans la couche épitaxiale 16 afin de fournir des dispositifs semiconducteurs de type particulier. Par exemple, si une autre diffusion des régions-base et-émetteur 10 est faite dans la couche épitaxiale au dessus de la région 14, la région enterrée 14 va jouer le rôle de collecteur secondaire enterré. L'évidemment 13 va jouer le rôle d'indicateur pour l'alignement du masque de sorte que les régions base et-émetteur à former sont en relation correcte avec la région enterrée 14. 15 Un autre aspect de la présente invention est basé sur la reconnaissance que, par suite des diffusions à température élevée, les irrégularités de surface apparaissent sur le substrat non seulement dans les zones sujettes à la diffusion comme résultant de la contrainte créée dans la région de diffusion, mais également dans les zônes de la surface sous-jacentes au masque- écran 20 de la diffusion. De manière que les défectuosités de la surface sous-jacente au masque-écran soient éliminées, il est nécessaire que le masque-écran soit tout d'abord enlevé. Ensuite, toute la surface est oxydée. Cette oxydation convertit les zônes de surface contenant les irrégularités en un oxyde qui peut ensuite être enlevé. Avec les substrats de certains matériaux semiconduc-25 teurs, tels que le germanium ou l'arséniure de gallium qui ne sont pas facilement oxydables, il peut être utilisé d'autres procédés de suppression de la couche superficielle. Des procédés chimiques, tels le décapage et l'attaque électro-chimique, peuvent être utilisés pour enlever les zônes superficielles contenant les impuretés. De préférence, une couche ayant une épaisseur d'au 30 moins 2000 A est corrodée à la surface. Par exemple, la composition suivante peut être utilisée pour corroder ou décaper une surface au germanium: Parties en volume 70 % HN03 5 35 48 h d'acide fluorhydrique.. 2 H2Q 7 à 14 Une fois le masque enlevé, le substrat semiconducteur peut également être débarrassé des défauts par réoxydation et corrosion combinées. Par exemple, une surface de substrat au silicium à partir de laquelle un masque au dioxyde 40 de silicium a été enlevé après diffusion peut alors être corrodée pour enlever 69 27265 6 2017604 un petit bossellemsnt dont l'épaisseur est de l'ordre de 1000 a. Ensuite, un substrat est réoxydé suivant la manière mentionnée ci-dessus, pour former une couche d'oxyde ayant environ une épaisseur de 4000 a. Cette couche d'oxyde est ensuite enlevée avant le dépôt épitaxial. 5 II reste bien entendu que la description ui précède a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre et de la portée de la présente invention. 69 27265 7 2017604 REVENDICATIONS. 1.- Procédé de diffusion d'impuretés dans la fabrication d'un dispositif semiconducteur caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - formation d'un masque servant d'écran à la diffusion sur une surface 5 d'un substrat semiconducteur; - diffusion d'impuretés déterminant le type de conductivité, désiré, au travers d'une ouverture pratiquée dans ledit masque, dans le substrat à une température élevée pour former les régions dopées selon ledit type de conductivité désiré. 10 - enlèvement du masque - oxydation de ladite suface pour former une couche d'oxyde dudit matériau semiconducteur à ladite surface et - enlèvement de ladite couche d'oxyde 2.- Procédé de diffusion selon la revendication 1 dans lequel le substrat 15 semiconducteur est du silicium. 3.- Procédé selon la revendication 2 dans lequel l'oxyde de silicium est du bioxyde de silicium. 4.- Procédé selon la revendication 2 comprenant en outre l'étape de dépôt d'une couche sur la surface après l'enlèvement de la couche d'oxyde. 20 5.- Procédé de formation d'une région enterrée dans un dispositif semiconducteur caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - formation d'un masque servant d'écran à la diffusion sur une surface d'un substrat au silicium - diffusion d'impuretés déterminant le type de conductivité désiré, au 25 travers d'une ouverture faite dans le masque, dans lè substrat à des températures élevées pour former une région conforme au type de conductivité désiré. - enlèvement du masque - oxydation de la surface pour former une couche d'oxyde de silicium à ladite surface 30 - enlèvement de la couche d'oxyde; et - croissance épitaxiale d'une couche semiconductrice 6.- Procédé conforme à la revendication 5 où ladite couche semiconductrice est une couche de silicium - V bad orig»nau 69 27265 8 2017604 7.- Procédé conforme â la revendication 5 dans lequel la zone superficielle exposée du substrat correspondantant à l'ouverture faite dans le masque est obtenue par décapage sélectif et forme un évidement correspondant à 1 région enterrée. 5 8. Procédé de formation d'une région entérrée dans un dispositif semiconducteur caractérisé en ce qu'il comprend: - la formation, sur la surface d'un substrat au silicium, d'un masque servant d'écran à la diffusion ayant une ouverture correspondant à la région enterrée 10 - la formation par décapage ou corrosion, au travers dudlt masque, aveq un agent corrosif qui attaque sélectivement le substrat au silicium, d'un évidemment dans ladite surface correspondant à ladite ouverture. - la diffusion des impuretés déterminant la conductivité au travers de l'ouverture faite dans ledit masque dans ledit substrat à des températures 15 élevées pour former une région de conductivité sélectionné correspondant audit évidemment. - l'enlèvement du masque - l'oxydation de la surface pour former une couche de bioxyde de silicium à ladite surface 20 - l'enlèvement de la couche d'oxyde; et - la croissance épitaxiale d'une couche semiconductrice sur ladite surface 9.- Procédé conforme à la revendication 8 dans lequel la dite couche semiconductrice est uns couche de silicium. 25 10.- Procédé conforme â la revendication 8 dans lequel ledit substrat de silicium est d'un premier type de conductivité et où la dite région diffusée est du type de conductivité opposé.