Brevet FR2027308A1 — publié le 19700925

ï 2027308 La présente invention se rapports à la fabrication de transistors à effet de champ du type Bâtai = isolant-seiai-conducteur etj plus particulièrement, à la fabrication de transistors de se type auto-alignés. 5 Dans la production des transistors du type précité, également connus sous le mon de "transistors à. effet de champ da type à grille isolée", on a rencontré des difficultés pour stabiliser l©g dispositifs au cours des opérations de traitement et pour forcer des structures de grille de haute qualité pour les dispositifs« 10 En particulier^ il s'est avéré difficile de fabriquer de tels transistors exempts de contamination par des ions de métaux alcalins ou analogues. L'invention a, notamment, pour objet de fourair un tel procédé de fabrication de transistors du type précités 15 - grâce auxquel on obtient des dispositifs stables et d© haut® qualité; - dans lequel ;.les régions de canal sont auto-aligaées et dar.o lequel la grille est maintenue exempte de toute contamination appréciable ; 2 20.%» fiable et économique. * D'autres buts et caractéristiques de 1®invention deviendront évidents dans la description qui va suivre ou seront soulignés dans cette description. Dans ses grandes lignes, le procédé suivant l'inventioa 25 comprend une opération initiale consistant à former une paire d'éléments de silice dopée convenablement espacé sur la surface d'un substrat en silicium, puis à forser une couche de nitrure d© silicium sur les surfaces des éléaiaBts de siliee et sur 1© substrat en silicium. La partie de la couche de nitrur® de silicium, qui se 30 trouve dans l'espace situé entre les éléments de silice, ©st ensuite éliminée après quoi on élirais©, dans le mêse espace5 une rainée couche du substrat en silicium» Un mince couche de silice est formée sur le substrat en silicium, dans ledit espace, entre les éléments en silice. Une seconde couche de nitrure de silicium est formée sur 35 la première et cette seconde couche s'étend sur la couche de silice, dans l'espace compris entre les éléments en silice, de manière à former une région^llectrique pour la grille du transistor. 69 42870 2 2027308 Les régions de source et de plaque dudit transistor sont formées par diffusion d'impuretés, à partir des pastilles de silice dopés dans les parties du substrat en silicium sous-jacentes à ces pastilles. 5 Les couches de nitrure de silicium empêchent la diffusion vers 1 Extérieur de l'agent dopant, à partir des pastilles dopées, 3t la seconde couche de nitrure de silicium recouvre les interstices éventuels dans la région de grille entre la couche de silice ©t la première coucha de nitrure de silicium. 10 D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessias annexés donnés uniquement à titre d'exemple la Fig.I est une vue en coupe transversale schématique d'un substrat en silicium sur lequel est formée une couche de silice contenant 15 des impuretés on dopée, la formation de cette coucha faisant l'objet d®aEe opération initiale du procédé suivant l'invention; La Fig.2 représente le substrat après une opération de masquage et de décapage destinée à éliminer des parties de la couche de silice et à laisser subsister deux pastilles espacées de silice 20 dopée ; la Fig.3 représente une opération ultérieure au cours de laquelle une couche de nitrure de silicium est formée sur les surfaces des pastilles et du substrat; la Fig. 4 représente la structure de la Fig. 3 après une 25 opération de décapage sélectif destinée à éliminer la partie de la couche de nitrure de silicum qui se trouve dans Isespace entre les deux pastilles; la Fig. 5 représente une opération consistant à éliminer une œines couche du substrat en silicium de l'espace compris entre les 30 pastilles ; la Fig. 6 représente la formation d'une couche de silice sur le substrat en silicium exposé, dans l'espace entre les pastilles; la Fig.7 représente la structure de la Fig.6 après formation d'une couche de nitrure de silicium sur celle-ci, cette formation 35 étant suivie d'une opération de diffusion ultérieure; 69 4287a 3 2027308 la Fig.8 représente une autre opération au cours de laquelle un masque est formé sur la structure de la Fig.7; la Fig.9 représente une opération de décapage, et la Fig. 10 représente la structure de la Fig.9 après une mé-5 tallisation destinée à former des contacts pour les régions de source et de plaque et pour la grille du transistor. Sur les différentes figures, les éléments correspondants sont désignés par les mêmes références . On va maintenant.examiner de plus près ces dessins, sur les-10 quels on peut véir que le matériau de départ ou substrat utilisé pour la fabrication de transistors du type précité, par le procédé suivant 1*invention; est une tranche II de silicium du type n légèrement dopé (par exemple à raison d'une concentration d'environ T6 3 10 atomes/cm ) sciée dans un monocristal de silicium dans une 15 direction s'écartant d'environ 3 à 5° de l'orientation I-I-I. D'autres substrats en silicium utilisés pour la fabrication de transistors et autres dispositifs peuvent également servir de matériaux de départ. Une couche 13 de silice assez fortement dopée, par exemple TQ OH à raison d'une concentration de l'ordre de 10 ou môme 10 3 20 atomes/cm . avec une impureté du type p telle que du bore est formée sur la surface du substrat comme représenté sur la Fig.I. L'épaisseur de cette couche peut ôtre, par exemple, de l'ordre du micron et cette couche ou pellicule d'oxyde peut ôtre formée par l'un quelconque des procédés courants, par exemple par ce-25 lui qui est décrit dans le brevet Américain n°3 341 381., Par des opérations classiques de masquage au moyen d'une réserve de photo-gravure et de décapage (non représentées) la couche de silice 13 est éliminée (par exemple par décapage à l'acide fluorhydrique stabilisé) à l'exception de zones 13a. et I3b qui 30 constituent des pastilles séparées de silice dopée par des impuretés du type p (Fig.2). Après lavage à l'eau ou avec d'autres solvants usuels, on forme une couche ou pellicule 15 de nitrure de silicium jusqu'à une épaisseur par exemple de l'ordre de I000Â par des procédés 35 classiques teUque le dépôt en phase vapeur à partir d'un mélange gazeux de silane et d'ammoniac dans de l'hydrogène à une tempé 69 4287Q 4 2027308 rature d'environ 850°C. Cette structure revôtue de nitrure de silicium, qui est représentée sur la Fig. 3, est ensuite attaquée sélec* tivement par un processus de décapage anodique, tel que décrit par Schmidt et Wonsidler, J.Electrochem. Soc.114 N°6, 603 (1967) et 5 qui utilise un électrolyte porteur d'oxygène pour éliminer la partie de la couche de nitrure de silicium qui se trouve au fond de l'espace compris entre les deux pastilles I3a et I3b. Ceci expose une surface de canal du substrat en silicium II (Fig. 4) sans éliminer la pellicule de nitrure de silicium sur les surfaces supérieures de 10 ces pastilles, étant donné que les pastilles de silice se comportent sous la couche de nitrure de silicium comme des masques diélectriques d'anodisation. La structure de la Fig.4 est ensuite décapée de préférence au moyen de vapeurs décapantes constituées par du gaz chlorhydrique 15 dans de l'hydrogène, pour éliminer tout silicium contamimé dans une zone de canal 17 et toute contamination de la surface de la couche de nitrure de silicium. Une mince partie superficielle d'une épaisseur de l'ordre de quelques centaines à ÏOOO À est ainsi éliminée. Cette couche de nitrure 15 maintient les surfaces des pastil-20 les I3a^ et 13b., protégées hermétiquement (Fig.5) et empdche le gaz chlorhydrique de les attaquer. Le réacteur utilisé pour ce traitement est ensuite purgé avec un gaz inerte tel que de l'azote ou de l'argon et "une couche 19 de silice est ensuite formée (Fig.6) dans la zone de canal. 25 De préférence, cette opération s'effectue en chauffant la structure de la Fig. 5 dans une atmosphère oxygénée pendant environ une demi-heure, à une température de l'ordre de 1000°C, pour provoquer la croissance d'un oxyde thermique jusqu'à une profon- O r O ^ deur de l'ordre de 500 A à IOOO A. Cette opération s'effectue dans 30 le mâme tube de réaction que le décapage par les vapeurs, pour éviter toute contamination par des impuretés nuisibles, telles que des ions de métaux alcalins , par exemple de sodium , impuretés qui, môme réduites à des traces, peuvent avoir un effet nettement défavorable sur les caractéristiques et la stabilité du dispositif fa-35 briqué. Alors que la structure de la Fig. 6 se trouve encore dans le réacteur, celui-ci est purgé et son atmosphère est remplacée par 69 42870 5 2027308 un mélange de silane, de gaz ammoniac et d'hydrogène à une température d'environ 850°C. Une seconde couche de nitrure de silicium est alors déposée comme indiqué en 21 sur la Fig.7. Elle forme une pellicule lis et uniforme sur la silice diélectrique 19, dans la 5 zone de canal de la structure de grills formée. Ainsi toutes les fissurations ou les intersfcicës ent.ve les bords en butée ou interfaces entre le diélectrique de grille 19 et la couche de nitrure de silicium 15, sont recouverts et obturés, ce qui évite des court-circuits de grille ultérieurs possibles, dans le dispositif 10 fabriqué. Le réacteur utilisé pour les opérations de traitement précédemment mentionnées peut être soit du type à parois froides haute-fréquence, soit du type à parois chaude sur les surfaces intérieures des parois duquel une couche de nitrure de silicium s'est, de préférence, formée au cours du traitement, de manière à 15 protéger ces surfaces contre une migration d'ions de sodium et autres contaminants, à partir des parois du réacteur vers l'intérieur de celui-ci. La structure résultante est ensuite chauffée à environ IIOO°C pendant deux heures pour assurer une diffusion de l'impureté du 20 type p/présente dans les pastilles dopées I3£ et 13]^, dans les zones sous -jacentes du substrat en silicium de manière à former des régions de source et de plaque 23& et 23b, comme représenté sur la Fig.7. La pronfondeur de ces régions est généralement de l'ordre de 2 à 5 microns et les couches 15 à 21 de nitrure de silicium se 25 comportent comme une barrière ou comme un masque pour empêcher toute diffusion vers l'extérieur de l'impureté du type p à partir des pastilles I3£. et I3b. au cours de cette opération de diffusion. L'alignement de ces régions de source et de plaque, par rapport à la région de grille, est ainsi assuré, étant donné que 30 la région de grille est définie par l'espace compris entre ces pastilles I3ji et I3b. Une couche (ou revêtement)'d'oxyde de 25 est déposée sur toute la surface de la couche de nitrure de silicium par 1,'uh quelconque des procédés classiques, par exemple par décomposition d'une vapeur 35 de siloxane. L'épaisseur de cette couche est généralement de l'or- O dre de 1000 à 2000 A. En utilisant les techniques de masquage par un matériau de réserve photographique et de décapage habituelles, on pratique des trous ou fenêtres 25a et 25b (Fig.8) dans la cou 69 42870 8 2027308 che 25 puis les zones des couches de nitrure de silicium 15 et 21 sous-rjacentes à ces fenêtres sont éliminées par décapage, par exemple à l'acide phosphorique chaud. Puis, en utilisant un corrosif usuel de la silice, tel que de l'acide fluorhydrique sta-5 bilisé ou tamponné, et en se servant comme masques des fenêtres pratiquées dans la nitrure de silicium, on élimine les parties centrales des pastilles de silice dopés, pour exposer des zones des régions de source et de plaque 23a. et 23b du substrat SI, comme représenté sur la Fig.9. De préférence, le masque de photo-10 gravure utilisé pour former les fenêtres 25a_ et 25b,. est détaché s de façon que la couche de masque de silice 25 soit éliminée pendant la corrosion, des pastilles d'oxyde dopé. Le nitrure de silicium sert de barrière anti-corrosive dans la zone de la grille, au cours de cette dernière opération de décapage. Selon une varian-15 te, l'exposition des surfaces des régions de source et de plaque peut s'effectuer sans utiliser des opérations de décapage multiples et la formation antérieure de la couche de silice 25. a cet effet, om peut utiliser une seule solution décapante corrosive. 20 Un masque résistant à cette solution étant formé sur la sur face de la couche 21, le décapant unique élimine les deux couches de nitrure de silicium 21 et 15 succesivement puis, la zone centrale non masquée des pastilles dopées I3a et 13b. A mesure que la formation ou croissance de la couche de silice 19 se poursuit dans 25 la région de canal (Fig.6), en milieu oxydant (humide ou sec) à environ 1000°C, la surface de la couche 15 peut être convertie en une pellicule d'oxyde extrêmenent mince. Si cela se produit effectivement, l'utilisation du procédé faisant appel à un décapant unique est particulièrement efficace, du fait que la présence d'une 30 telle pellicule d'oxyde à l'interface entre les^bouches 15 et 21, dans la zone située sous la fenêtre, pourrait donner lien à des difficultés mineures lors de l'utilisation d'acide phosphorique chaud pour éliminer ces deux couches de nitrure. En effet, l'action corrosive de l'acide phosphorique chaud tendrait à être arrêtée par 35 une telle pellicule d'oxyde, qu'il serait nécessaire d'éliminer au moyen d'un décapant d'oxyde. Le procédé faisant appel à un décapant unique attaquant à la fois les couches de nitrure de silicium et de silice, sensiblement avec le même taux de corrosion, ne peut au contraire être affecté par cette pellicule d'oxyde. 69 42870 7 2027308 La Fig.10 représente la structure de la Fig.9, après la for-«ation classique d'électrodes en métal conducteur à savoir un contact de source 27a., un contact de plaque 271) et le contact de grille 29. Le dispositif de la Fig. 10 est un transistor du type 5 précité à canal p. En utilisant simplement un substrat en silicium du type p, légèrement dopé, comme matériau de départ et en formant les pastilles I3a et I3b de silice contenant une impureté du type n, on obtiendrait un transistor du type précité à canal n. Il est à noter que l'opération facultative usuelle consistant 10 à former une couche de.silice relativement épaisse (par exemple de I ou 2 microns) au moins sur des zones de surface choisies du dispositif, généralement après la métallisation destinée à former les contacts, peut être aisément introduite dans le procédé. Ces oxydes épais sont efficaces pour obtenir une capacité désirée sous les con-15 ducteurs d'interconnexion, etc , formés au cours des opérations finales habituelles de la fabrication des circuits intégrés. La région de canal sous jacente au diélectrique de grille, région qui est constituée par la couche de silice 19 surmontée de la couche de nitrure de silicium 21, est maintenu* propre et 20 exempte de tout contaminants tels que des ions de sodium par le procédé suivant l'invention et, par conséquent, on obtient un transistor du type précité stable et de haute qualité. Il va de soi que les épaisseurs des diverses couches telles qu'elles sont représentées, sur les figures, sont sans relation .donne 25 avec la réalité, étant? que les épaisseurs effectives des diverses couches et les diverses dimensions du substrat varient dé quelques centaines d* A à 0,25 mm et, par conséquent, ne peuvent pas être représentés à l'échelle ni avec leurs proportions correctes. 69 42870 8 2027308 REYEHPICATI0N3 I - Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ métal-isolant-semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à former une paire de pastille dopées espacées sur la surface d'un substrat semi-conducteur, à former une couche d*arrêt sur les sur-5 faces des dites pastilles dopées et sur ledit substrat, à éliminer une partie de cette couche d'arrêt dans l'espace compris entre les pastilles dopées, à former une couche diélectrique mince sur le substrat semi-conducteur dans ledit espace, à former une seconde couche d'arrêt sur la première, cette seconde couche s'éténdant 10 au-dessus de la couche diélectrique dans l'espace précité en formant ainsi une région diélectrique pour la grille du transistor et à former des régions de source et de plaque pour ledit transistor en diffusant des impuretés à partir des pastilles dopées dans la partie du substrat semi-conducteur sous jacente à ces pastilles» la 15 couche d'arrêt précitée empêchant toute diffusion vers l'extérieur de l'agent dopant, à partir des pastilles dopées, et la seconde couche d 'arrêt recouvrant tous les interstices éventuels dans la région de grille entre la couche diélectrique et la prénière couche d'arrêt. 20 2 - Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que le substrat semi-conducteur est un substrat en silicium, les pastilles dopées, des pastilles de silice dopée, les première et seconde couches d'arrêt du nitrure de silicium et ladite couche diélectrique, de la silice, les opérations d'élimination d'une mince cou-25 che du substrat semi-conducteur, de formation de la mince couche . diélectrique et de formation de la seconde couche d'arrêt, étant toutes effectuées successivement dans le même réacteur sans retrait hors de celui-ci. 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que 30 l'opération d'élimination de la partie de la couche de nitrure de silicium située dans l'espace entre les pastilles de silice consiste en un décapage anodique. 4 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération d'élimitation de la mince couche du substrat en silicium 35 consiste en un décapage en phase vapeur au gaz chlorhydrique. bV 42b/U 2027308 5 - Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, les opérations ultérieures consistant à former un masque découpé sur la surface de la seconde couche de nitrure de silicium, de manière à ménager une fenêtre sur une par- 5 tie de chacune des pastilles, à éliminer les prémière et seconde couches de nitrure de silicium et la partie de la pastille dopée située sous chacune des fenêtres de manières à exposer une partie des régions de source et de plaque, et à déposer un métal conducteur sur ces parties exposées des régions de source et de plaque 10 et sur la seconde couche de nitrure de silicium dans la région diélectrique précitée, de manière à former ainsi des contacts pour la source, la plaque et la grille. 6 - Procédé suivant la revendication 5, caractérise ea ce que le substrat est en silicium du type n assez légèrement dopé 15 et les régions de source et de plaque sont assez fortement dopées avec une impureté du type p, grâce à quoi on fabrique un tracsistor du type précitéà canal p. 7 - Procédé suivant la. revendication 5 caractérisé en ce que le subtrat est en silicium du type p assez légèrement dopé et les 20 régions de source et de plaque sont assez fortement dopées avec une impureté du type n, moyennant quoi l'on fabrique un transistor du type précité à canal n,. 8 - Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ métal-isolant-semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à 25 former une paire de pastilles de silice dopées espacées sur la surface d'un substrat en silicium, à déposer une couche de nitrure de silicium sur les surlaces des pastilles de silice et du substrat en silicium, à éliminer la partie de la couche de nitrure de silicium qui se trouve dans l'espace entre les pastilles de silice par une 30 corrosion anodique sélective, à éliminer une mince couche du sub- en silicium strat/dans ledit espace par décapage en phase vapeur avec du gaz chlorhydrique, à former une mince couche de silice sur le substrat^ en silicium dans ledit espace par chauffage en atmosphère d'oxygène, à former une seconde couche de nitrure de silicium sur la 35 première, cette seconde couche s'étendant au-dessus de la couche de silice dans l'espace précité, de manière à former une région diélectrique pour la grille du transistor, cette opération et les opérations ^précédentes consistant à éliminer la mince couche de sub-en siriclum strat/et à former la mince couche de silice étant toutes effectuées 69 42870 i© 2027308 successivement dans le sème réacteur, sans retrait hors de celui-ci, à former des régions de source et de plaque pour ledit transistor en diffusant des impuretés à partir des pastilles de silice dopée dans les parties du substrat en silicium sous jacentes à ces 5 pastilles, les couches de nitrure de silicium empêchant toute diffusion vers l'extérieur de l'agent dopant à partir des pastilles dopées et la seconde couche de nitrure de silicium recouvrant tous les interstices éventuels, dans la région de grille, entre la couche de silice et la première couche de nitrure de silicium, à for-10 mer un masque découpé sur la surface de la seconde couche de nitrure de silicium de manière à ménager une fenêtre au-dessus d'une partie de chacune des pastilles, à éliminer les première et seconde couches de nitrure de silicium et la partie de la pastille dopée qui s'étend sous chacune des fenêtres, de manière à exposer une ÏB partie des régions de source et de plaque, et à déposer un métal conducteur sur lesdites parties exposées des régions de source et de plaque et sur la seconde couche de nitrure de silicium dans la région diélectrique de manière à former des contacts pour la source, la plaque et la grille.