Brevet FR2044772A1 — publié le 19710226

L1 invention concerne un procédé de fabrication de dispo«i-. tifB semiconducteurs à partir d'un même corps semiconducteur en forme de plaque suivant lequel on forme d'un coté d'un substrat en forme de plaque une zone en matériau semiconducteur s'étendant le long de la surface, zone 5 qui au moins à la limite avec le substrat sous—jacent diffère quant à sa composition, et/ou ses propriétés de conduction du matériau du substrat adjacent, après quoi le substrat est enleve par une opération dé decapage électrolytique sélectif, à l'exception de la zone envisagée et cette zone est ensuite divisée en plaquettes de matériau semiconducteur séparées les 10 unes des autres'. L'invention concerne par ailleurs un dispositif semiconducteur obtenu par la mise en oeuvre .de ce procédé. Il existe différents procédés de fabrication de dispositifs semieonducteurs selon lesquels sur un corps semiconducteur monocristallin en forme de plaque, ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 100 à 15 200 microns, on enlève du matériau d'un côté pour l'obtention de matériau semiconducteur monocristallin de très faible épaisseur, de l'ordre par exemple de 10 à 20 microns. D'autre part ces plaques de semiconducteur très minces peuvent encore être réparties en plaquettes de plus petites dimensions, ces plaquettes pouvant être utilisées séparément. 20 L'amincissement de la plaque de semiconducteur peut se faire, de façon connue, par une opération de meulage et/ou de polissage. Dans ce cas on rencontre la difficulté que même pour une courbure très faible de la plaque il peut se présenter de grandes différences d'épaisseur de la plaque amincie. D'autre part les opérations mécanijïues. peuvent pro-25 voquer des perturbations du réseau dans le matériau monocristallin, qui compte tenu des faibles épaisseurs envisagées, peuvent s'éténdre facilement d'un coté à l'autre du matériau en forme de plaque. On peut également utiliser des méthodes de décapage chimiques, mais dans ce cas de très faibles différences de vitesse de décapage 30 donnent des différences d'épaisseur relativement grandes,(de même lorsque le décapage amincissant est régulier, des différences d'épaisseur relativement faibles dans la plaque primitive, provoquent lors du décapage jusque par exemple un dixième de l'épaisseur primitive, une augmentation de ces différences d'épaisseur relatives par exemple jusque dix fois),, ./adjectif 35 "relatif" a trait ici à une comparaison avec l'épaisseur moyenne de la plaque. Il existe des procédés permettant d'obtenir une épaisseur uniforme, suivant lesquels on forme d'un côté d'un substrat une zone s'étendant le long de la surface, qui au moins à la limite avec le substrat 16529 2 2044772 sous—jacent tvt en matériau s«aiconducteur, cj»i Aiffure quant aux propriétés électriques du matériau de substrat, après fuoi à l'aide d'une opération de décapage électrolytique sélectif on enlève le substrat à l'exception de la zone envisagée. Une telle zone mince à épaisseur uniforme peut ■5 en effet être obtenue- avec des méthodes connues. C'est ainsi qu'il est connu d'élaborer dans un corps semiconducteur à conduction d'un type déterminé, par diffusion d'une impureté convenable, une zone d'épaisseur uniforme à conduction du type" opposé et ensuite à l-'aide d'une opération de décapage électrolytique sélective d'enlever le matériau sous—jacent à 10 conduction du type primitif du corps semiconducteur. Suivant d'autres procédés connus on forme une .zone de ce genre en élaborant sur une plaque de semiconducteur monocristallin une couche épitaxiale en matériau semiconducteur différent ou en matériau semiconducteur identique mais présentant d'autreB propriétés de conduction. 15 Lorsqu'on choisit judicieusement le substrat et la zone épitaxiale on peut enlever à l'aide d'une opération de décapage électrolytique sélectif le matériau du substratj après quoi le décapage s'arrête.lorsque la limite avec la zone élaborée, est atteinte. C'est ainsi qu'il est connu de soumettre à une opération de décapage électrolytique sélectif un corp3 semicôn-20 ducteur de type p ou un matériau semiconducteur de type n à faible résistance ohmique, par exemple du germanium ou du silicium, avec une zone épitaxiale élaborée sur ce corps, constituée par le mfme matériau semiconducteur mais du type n, à résistance ohmique élevée. Il est également .connu d'élaborer sur un copps monocristallin de germanium épitaxialement 25 une zone en sulfure de cadmium monocristallin et enlever le germanium par une opération de décapage électrolytique sélectif. Dans tous ces cas on peut obtenir une plaque de semiconducteur très mince d'épaisseur uniforme. Pour fabriquer un grand nombre de plaquettes en semiconducteur ayant de -faibles dimensions latérales.,, à partir d'une, plaque très 30 mince,, la plaque doit être divisée en plaquettes distinctes.. Les méthodes usuelles consistant à rayer puis rompre-la plaque conviennent mal aux plaques précitées.. Au cours des essais, qui ont. conduit à la présente inven-*: tion visant a amincir une plaque et a la rGncLre .divisible spontanément on 35. a constaté que l'utilisation d'une méthode de décapage, électrolytique avec laquelle le décapage s'arrête localement lorsque, du fait que l'on atteint les rainures entourant 1 ' 11 ot,, le- .contact électrique du fnatériau semiconduo-teur entourant les rainures avec la^..connexion . appliquée sur le .corps semiconducteur est rompu, peut conduire à des différences d'épaisseur dans bad original 16529 3 2044772 chaque plaque. L'avantage mentionné ci-dessus de 1*opération de décapage électrolytique sélectif, résidant dans le fait que le décapage s'arrête lorsque la limite avec la zone élaborée est atteinte, n'e3t pas valable non plus, étant donné que la limite de la zone envisagée n'est pas atteinte 5 avant que les îlots soient isolés électriquement, du fait que le décapage atteint • les rainures. Le procédé du genre envisagé dans le préambiile, conforme à l'invention est remarquable en ce que avant le prooéder au décapage électrolytique on pratique dans la zone des rainures dont l'épaisseur est 10 inférieure à l'épaisseur de la zone, de sorte qu'après l'opération de décapage électrolytique le matériau semiconductèur de la zone reste cohérent et la répartition en plaquettes distinctes est obtenue par une opération de décapage chimique du coté du substrat. Avec l'opération de décapage électrolytique sélectif, on décape d'abord jusqu'à la limite de 15 la zone alors que l'épaisseur du matériau subsistant est déterminée par l'épaisseur de la zone. Du fait que les rainures n'atteignent pas la limite de la zone, le décapage électrolytique ne peut être interrompu trop tôt par l'effet isolant de ces rainures. Du fait que l'opération de décapage chimique ne se fait pas à partir du côté inférieur du substrat mais d'abord à 20 partir de la limite de la zone, donc après que l'épaisseur soit déjà devenue très petite, le risque de variations notables dans l'épaisseur finale du matériau semiconducteur est beaucoup plus faible avec l'opération de décapage chimique, tandis que les variations d'épaisseur dans le substrat primitif par l'opération de décapage électrolytique sélectif sont supprimées 25 La diminution de l'épaisseur des plaquettes à former par l'opération de décapage chimique n'est pas influencée par le fait que le fond des rainures peu profondes est atteint et que la plaque initiale se divise en plaquettes Grâce à la précision avec laquelle on obtient une très faible épaisseur uniforme des plaquettes, le procédé conforme à l'invention 30 convient particulièrement pour fabriquer, à partir d'une plaque de semiconducteurs, des éléments semiconducteurs avec des structures de semiconducteur élaborées sur une zone de matériau semiconducteur très mince, alors que les jonctions entre les régions de types de condustion différents s'étendent transversalement sur la zone d'un côté à l'autre de celle—ci. De 35 telles structures sont connues sous la dénomination anglaise "flat land". Du fait de la petite superficie d'une telle jonction avec une capacité correspondante faible, ces dispositifs semiconducteurs peuvent être utilisés pour des fréquences très élevées. 16529 4 2044772 Suivant une forme de réalisation du procédé conforme à l'invention selon laquelle on forme dans la zone, des régions locales à conductibilités différentes qui restent à une faible distance de la limite de la zone avec le substrat, l'opération de décapage chimique est poursuivie jusqu'à ce que le matériau entre une telle région et la limite précitée 5 soit enlevé. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les fig. 1 à 5 représentent schématiquement en coupe un détail de dispositifs semiconducteurs, partant d'un substrat en forme de 10 disque, à différents stades de leur fabrication. On utilise au départ un corps semiconducteur en forme de disque (1) en silicium de type n à résistivité de 0,007 ohm/cm, dopé à l'aide d'arsénic (voir fig. 1). Le corps semiconducteur a par exemple un diamètre de 2 cm et une épaisseur d'environ 300 microns. Le corps (1) est 15 obtenu hors d'un monocristal en forme de bâton en silicium par sciage perpendiculairement à l'axe longitudinal de ce cristal après quoi la surface est meulée jusqu'à l'épaisseur voulue. Ensuite le corps (1) est prétraité d'une façon connue, une face est polie par de l'oxyde d'aluminium à grains fins et décapée avec du gaz HC1 mélangé à de l'hydrogène. Le dis— 20 que, lors de la dernière opération, est chauffé à environ 1100° C. Ce disque constitue le substrat pour la zone (2) à conductibilité différente, à appliquer sur le substrat. La zone (2) est appliquée de façon connue de manière épitaxiale sur un côté du corps, le matériau de la zone étant constitué par du silicium de type n à résistivité de 0,5 ohm/cm. La zone épita— 25 xiale (2) peut par exemple être obtenue en faisant circuler le long du corps un mélange gazeux de tétrachlorure de silicium et d'hydrogène auquel est ajouté un peu d'hydrure d'antimoine, alors que ce corps est appliqué d'un côté sur un support et chauffé à une température de IO5O0 C. Le dépôt épi— taxial est poursuivi pendant 10 minutes et on obtient alors une couche 39 ayant une épaisseur de 10 microns. Ensuite à l'aide de méthodes de diffusion planaires on élabore djes régions à type de conduction et/ou à conductibilité différente, qui restent cependant séparées de la limite avec le corps (1) constituant le substrat par du matériau épitaxial à conduction et à conductibilité 35 primitives. C'est ainsi que l'on peut élaborer de façon connue par diffusion planaire de bore des régions de type p (3), (4), (5) et (6) d'environ 3 microns d'épaisseur. Après cette opération de diffusion, la surface de la couche épitaxiale est recouverte d'oxyde. Cet oxyde provient partiellement 16529 5 2044772 du masque en oxyde de silicium utilisé, en partie par de l'oxygène présent lors de la diffusion de bore, par exemple sous la forme d'oxyde de bore et d'oxygène ou 4e vapeur d'eau dans l'atmosphère environnante, comme c'est connu dans les techniques planaires. Il est également connu d'enlever après 5 les opérations de diffusion la pellicule d'oxyde et de former une nouvelle pellicule d'oxyde par oxydation superficielle du silicium. On peut également établir de façon connue de^s contacts par l'intermédiaire de fenêtp*» et/ou de contacts de commande par voie capacitive et des bandes conductrices sur l'oxyde (non représenté sur les 10 figures). On peut utiliser les régions de type p (-3) et (4) et la région de type n (10) située entre ces dernières pour la réalisation d'un transistor à effet de champ à électrode de porte isolée (pax exemple appliquée sur la pellicule d'oxydé au-dessus de la région (10)) et la région de type p avec la région (11) de type n contigue pour la réalisation d'une'diode. En vue 15 de permettre la séparation en plaquettes, on réalise de façon connue avec une des méthodes photographiques une configuration de masquage résistant au décapage (13) par exemple en un matériau de photoréservation, alors qu'à l'endroit où doivent être formées des rainures peu profondes, la surface de la couche d'oxyde (7) est mise à nu. On atteint ainsi le stade représenté 20 sur la fig. 1. Ensuite la surface du côté de la zone (2) est soumise à une. opération de décapage chimique pour la formation des rainures (20) (voir la fig. 2). Auparavant on utilise pour l'enlèvement de l'oxyde non maaqué une opération de décapage avec un mélange de 1 partie en volume 25 d'acide fluorhydrique (48 $ en poids HP) et 6 parties en volume d'une solution de fluorure d'ammonium dans de l'eau (40 ^ en poids NH^F). Pour le décapage des rainures (20) dans le silicium on utilise un décapant obtenu en mélangeant 6 parties en volume d'acide fluor-hydrique concentré avec un mélange préparé auparavant de 10 parties en volu— 30 me d'acide nitrique concentré (65 % en poids), 10 parties en volume d'acide acétique cristallisable (98 fc en poids) et une certaine quantité d'iode correspondant à 0,0$ g par ml', de l'acide nitrique concentré. Le corps est traité pendant un court instant (environ 8 secondes) dans ce bain de décapage alors -:que les rainures (20) d'une épaisseur d'environ 2,5 microns sont 35 ainsi formées. Lé fond de ces rainures se situe alors encore à une distance d'environ 7>5 microns de la limite dé la zone (2) avec le substrat (l). La configuration de masquage résistant au décapage peut alors être enlevée si on.le désire. Le. stade ainsi atteint est représenté schématiquement sur la fig. 2. 16529 6 2044772 Il faut ensuite enlever le substrat (1) de la structure ainsi obtenue. Pour ce faire l'ensemble d'abord avec le coté de la zone épitaxiale (2) et les rainures qui sont pratiquées (20) est collé sur un support (30) constitué par une plaque de verre au quartz à l'aide d'un ciment 5 approprié résistant au décapage et hydrofuge (31)» par exemple du "colôfo-nium". Le stade ainsi atteint est représenté sur la fig. 3. On enlève ensuite le substrat (1) par une opération de décapage électrolytique comme décrit dans le brevet français n° 1562282 auquel on se référera pour de plus amples détails. A proximité de son bord, 10 le substrat en forme de disque (1) est relié à un contact en platine qui est connecté à la borne positive d'une source de tension continue. Le bain électrolytique est constitué par de l'acide fluorhydrique dilué, obtenu en mélangeant une partie en volume d'acide fluorhydrique concentré avec 10 parties en volume d'eau. Dans l'électrolyte on place une électrode en 15 treillis de platine, qui est reliée au pôle négatif de la source de tension continue. Entre l'électrode de platine dans le bain et le contact en platine sur le substrat (1) on applique une tension de 12 V. On plonge ensuite lentement le corps en forme de disque v avec la plaque en verre verticalement avec le contact en platine au-dessus, 20 dans un bain électrolytique de sorte que le décapage du substrat commence aux parties du substrat'les plus éloignées du contact en platine. Le substrat en forme de disque (1) est ensuite décapé à partir du coté opposé à la zone épitaxiale (2), avec une vitesse d'environ 2 microns par minute. Seul le silicium à faible valeur ohmique du substrat 25 (1) est enlevé. Dès qu'après l'enlèvement du matériau du substrat, l'électrolyte vient en contact avec la zone épitaxiale (2) en matériau de type n à valeur ohmique plus élevée, c'est-à-dire à la limite avec le matériau de substrat primitif, il se forme sur la surface du silicium une pellicule passivante alors que le décapage du matériau de type n à plus forte résis-30 tivité de la zone (2) est empêché. On atteint alors le stade représenté sur la fig. 4, pour lequel la zone épitaxiale (2) est restée avec son épaisseur primitive de 10 microns (évidemment à l'exception des parties de zone situées sous les rainures (20)). Ensuite on applique pour continuer à amincir le matériau 35 de semiconducteur une opération de décapage chimique. A cet effet on utilise un liquide de décapage lent obtenu en dissolvant 200 mg de KMnO^ dans 50 ml d'acide fluorhydrique concentré et 50 ml d'acide acétique cristallisable. La vitesse de décapage de ce mélange est de 0,2 micron par minute. La zone (2) est décapée régulièrement, le fond des rainures (20) et les régions de 16529 7 20^4772 diffusion (3), (4) > (5) et (6) étant atteintes. La zone (2) est alors divisée par les rainures (20) en plaquettes distinctes (40), en matériau semiconducteur. Après que l'on a atteint le fond des rainures (20) l'opération de décapage est poursuivie pendant quelques minutes, les plaquettes (40) 5 ayant alors une épaisseur ne dépassant pas 2 microns. Dans ces plaquettes on a obtenu.des structures dites "flat land" avec des régions à conduction et/ou conductibilité différentes, ces régions s'étendent d'un coté plat de la plaquette à l'autre côté et sont contigues les unes aux autres avec des jonctions de faible superficie qui se trouvent perpendiculairement au côté 10 plat d'une telle plaquette. La fig.. 5 représente une plaquette où la région (5) à conduction de type p obtenue par diffusion de bore n'est contigue que par une jonction pn transversale à la région (11) en matériau épitaxial de type n avec son dopage primitif. On obtient une structure "flat land" pour une 15 diode convenant pour l'utilisation à des fréquences élevées. Une autre plaquette est constituée par des régions (3) et (4) de' type p formées par la diffusion de bore et avec la région (10) inte]>-médiaire en matériau de type .n, telle qu'elle a été appliquée primitivement, épitaxialement. Cette structure "flat land" convient pour la réalisation 20 d'un transistor à effet de champ à électrode de porte isolée, les régions (3) et (4) formant l'électrode de source et l'électrode de drain et la région (10), étant la région de porte. D'un côté ou aux deux côtés de cette région de porte, il faut appliquer une couche isolante et sur cette dernière une électrode de porte, si elles n'ont pas été appliquées aupaTavant. 25 Les plaquettes (40) sont alors séparées du support en verre (30) par dissolution du ciment (31), par exemple dans du trichloré-thylène» Malgré la très faible épaisseur les corps distincts sont encore très maniables par exemple à l'aide d'une pipette et résistent très bien à des opérations telles que le soudage par thermocompression. 30 Les modes de réalisation cités ci-dessus du procédé confor me à l'invention, tels que décrits en regard des figures, peuvent être modifiés de diverses manières. C'est ainsi qu'il est possible de réaliser d'autres structures "flat land", par exemple au lieu d'une structure pnp pour tin transistor à cet effet de champ du mode d'enrichissement, un tran— 35 sistor à effet de champ n n n à mode d'appauvrissement. Au lieu d'une zone de type n en silicium épitaxiale on peut également utiliser une zone de silicium de type p épitaxiale à condition que lors de l'élaboration de la zone par diffusion, à la limite entre le silicium de type p et à faible valeur ohmique du substrat et le matériau de type 70 16529 8 2044772 p appliqué on forme une couche de type nt a. valeur ohmique élevée qui soit d'épaisseur suffisante pour protéger le matériau appliqué épitaxialement lors du décapage électrolytique sélectif du substrat. D'autre part il est également possible en principe d'utiliser du silicium de type n épitaxial.sur un substrat de type p. 16529 9 2044772 Revendications•: 1. Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs à partir d'un même corps semiconducteur en forme de plaque suivant lequel on forme d'un côté d'un substrat en forme de plaque une zone en matériau semiconducteur s'étendant le long de la surface, zone qui au moins à la limite avec le substrat sous-jacent diffère quant à sa composition et/ou ses propriétés de conduction du matériau de substrat adjacent, après quoi le substrat est enlevé par une opération de décapage électrolytique sélectif, à l'exception de la zone envisagée et cette zone est ensuite divisée en plaquettes de matériau semiconducteur séparées les unes des autres, ce procédé étant caractérisé en ce que avant de procéder au décapage électrolytique on pratique dans la zone des rainures, dont l'épaisseur est inférieure à l'épaisseur de la zone de sorte qu'après l'opération de décapage électrolytique le matériau semiconducteur de la zone reste cohérent et la répartition en plaquettes distinctes est obtenu par une opération de décapage chimique à partir du côté du substrat. 2. Procédé selon la revendication 1 suivant lequel on forme localement dans la zone des régions à.conduction de type différent, qui restent à une certaine distance de la limite entre la zone et le substrat, caractérisé en ce que l'opération de décapage chimique est poursuivie jusqu'à ce que le matériau situé entre une région et la limite envisagée, soit enlevé. 3- . Dispositif semiconducteur obtenu par l'application du procédé selon la revendication 1 ou 2.