Brevet FR2088302A1 — publié le 19720107

^2088302 La présente invention se rapporte à un pr-océdé pour la fabrication de dispositifs semiconducteurs à circuits intégrés, comprenant de nombreux éléments actifs de natures différentes formés dans une même plaquette monocristalline de matériau 5 semiconducteur . L'expression "éléments actifs de natures différentes" est employée pour désigner des transistors, diodes, etc... qui se distinguent par leur structure générale. Par exemple, un transistor ÏÏPU est à cet égard différent d'un transistor PNP. Cette expression n'est par contre pas employée 10 pour désigner des éléments de même structure générale mais possédant des paramètres fonctionnels différents, tels que deux transistors KPîT à largeursde base différentes. La plupart des dispositifs de circuits intégrés de l'art antérieur ne faisaient emploi que d'un type d'éléments actifs, 15 par exemple des transistors bipolaires HPET ou des transistors à effet de champ à canal de type P et à porte isolée.Les tentatives faites pour intégrer différents types d'éléments sur la même plaquette n'ont été que modérément suivi de succès. Des opérations additionnelles étaient habituellement nécessaire 20 en cours de fabrication, et des pertes de production non négligeables en résultaient. Quelques combinaisons de dispositifs de différentes natures ont pu être réalisées sur une même plaquette monocristalline de circuits intégrés. Par exemple, des combinaisons bipolaires 25 NPN-PNP ont été fabriquées. Aucune combinaison de dispositifs bipolaires avec des transistors à effet de champ et à porte isolée n'a toutefois pu être réalisée avec quelques succès, en raison des opérations de fabrication nécessaires à la formation du transistor à effet de champ à porte isolée, opération 30 qui compromet les diffusion bipolaires. Des transistors à effet de champ à canal de type P et à porte isolée ont été combinés avec des transistors du même genre mais à canal de type U ; toutefois, l'isolation de leur porte s'est révélée complexe et difficile à contrôler, notamment en 35 ce qui concerne la propreté, la charge positive fixée et l'épaisseur. La présente invention a pour objet un procédé pour la fabrication d'un dispositif semiconducteur monocristallin à circuits 71 15623 2 2088302 intégrés'comprenant au moins deux éléments actifs, dont l'un au moins est un transistor à effet de champ à porte isolée. Ce transistor à effet de champ et à porte isolée est réalisé d'une manière compatible avec les autres dispositifs en formant 5 son isolation au moyen d'une opération d'oxydation du corps semiconducteur sous atmosphère humide renfermant un halogénure d'hydrogène, puis d'une opération de recuit de l'isolation par réchauffage du corps semiconducteur à une température comprise entre 900°C et 1200°C environ sous une atmosphère 10 non oxydante, les régions diffusées d'un transistor bipolaire formé sur la même plaquette ne sont pas endommagéespar ce procédé . Les isolations peuvent être facilement contrôlées quant à leur propreté, leur charge fixée et leur épaisseur. D'autres caractéristiques et avantages du procédé de 15 l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1 à 6 sont des coupes illustrant les opérations successives de formation d'un dispositif semiconduc-20 teur à circuits intégrés par le procédé conforme à l'invention. La figure 6 représente en coupe ..un dispositif à circuits -intégrés 10 du type pouvant être fabriqué par le procédé objet de la présente invention. Dans l'exemple d'exécution représenté sur la figure 6, le dispositif 10 comprend un substrat 12 de type P dont la" face supérieure 14 est recouverte d'une couche 16 de matériau semiconducteur à conductivité de type ST. La face supérieure 17 de cette couche 16 est sensiblement parallèle à la face supérieure 14 du substrat 12. Cette couche 16 peut 30 être constituée, par exemple, par une couche épitaxiale formée à la limite 14 du substrat 12. Le dispositif 10 représenté comporte trois éléments actifs différents. A gauche sur la figure est montré un transistor à effet de champ 18 à porte isolée et à canal de type P, tandis 35 qu'à droite sur cette même figure est représenté un transistor semblable à canal de type N. Entre les deux transistors à effet de champ 18 et 20 est représenté un transistor bipolaire 22. 71 15623 3 2088302 Ce transistor bipolaire 22 est de structure classique. Il comporte une région noyée 24 qui dans l'exemple choisi est à conductivité du type 0+, une région de base 26 de type P, formé par diffusion d'impuretés de type accepteur dans la 5 couche 16 à travers sa surface 17, et une région d'émetteur 28 de type ÏT+ formée par diffusion dans la couche 16 d'impuretés de type donneur, le matériau initial de type ET de la couche 16 constitue la région de. collecteur du transistor 22. Si besoin est et comme représenté, il peut être formé par 10 diffusion une zone de contact de collecteur 30. Les contacts d'émetteur, de base et de collecteur respectivement désignés par 32, 33 et 34 permettent de relier le transistor 22 aux autres -éléments du dispositif. Le transistor 22 est isolé des transistors 18 et 20 par des régions 35 de type P+ formées 15 par diffusion. Le transistor à effet de champ 18 à canal de type P et à porte isolée comporte deux régions espacées 36 et 38 qui en constituent respectivement la source et le drain, ces régions étant formées au voisinage de ]a surface 17 de la couche 16 et 20 définissant les extrémités du canal de transfert de charge. Une structure de porte 40 recouvre l'intervalle entre les régions de source et de drain 36 et 38. Cette structure de porte comprend une électrode de porte 42, par exemple faite d' aluminium ou de silicium, disposée au voisinage de l'intervalle 25 séparant les régions de source et de drain 36 et 38 mais qui en est séparée par une isolation 44. Le transistor à effet de champ 20 à porte isolée et à canal de type N possède, une structure semblable à celle du transistor 18. Toutefois, son substrat est constitué par une 30 région 46 diffusée dans la couche 16. A.1'intérieur de cette région 46 sont disposées à intervalles des régions 48 et 50 formant respectivement source et drain, tandis que l'intervalle les séparant est recouvert par une structure de porte 52 comportant une électrode de porte 54 séparée de la couche 35 semiconductrice 16 par une isolation 56. Les différents éléments représentés sur la figure 6 peuvent être inclus en toute combinaison et par deux ou plus 71 15623 4 2088302 dans tout dispositif à circuits intégrés ; en d'autres termes, un transistor à effet de champ du type à porte isolée et à canal N ou P peut coexister avec un transistor bipolaire et/ou un transistor à effet de champ à porte isolée et à canal 5 du type de conductivité opposé- le matériau dans lequel ces éléments sont formés peut être d'origine épitaxiale, comme montré sur la figure 6 ou peut aussi bien être constitué par le matériau semiconducteur lui-même. la solution épitaxiale est toutefois préférée, du fait, qu'elle est semblable 10 à celle utilisée pour les autres dispositifs à circuits intégrés jusqu'à présent connus et qu'elle peut être facilement mise en oeuvre dans les moyens de production existants. la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention part du substrat 12, qui dans l'exemple choisi est de conducti-15 vité du type P et présente une résistivité comprise en 0,5 et environ 100 ohms .centimètre . Comme montré sur la figure 1, une région 24s de type K+ est tout d'abord formée dans le substrat 12 au voisinage de sa face supérieure 14 par les techniques connues de pMogravure et de diffusion. 20 l'opération suivante du procédé objet de l'invention est de faire croître une couche épitaxiale de type N sur la face 14 du substrat 12 pour former la couche 16 déjà mentionnée. Durant cette opération de croissance de la couche épitaxiale, les impuretés de type donneur incluses dans la région 24s diffusent 25 vers le haut dans la couche 16 pour former la région noyée 24 dont la configuration est montrée sur la figure 2. Dans cet exemple, les conditions de croissance épitaxiale sont ajustées d'une manière connue en soi pour que la couche 16 présente une résistivité de l'ordre de 0,2 à 40 ohms.cm. 30 La figure 3 illustre les deux opérations suivantes du procédé objet de l'invention. La première de ces opérations est de former par diffusion la région de substrat 46 de type P du transistor à effet de champ 20 à porte isolée et à canal de type N. A l'issue de cette opération, une diffusion d'accep-35 teur est effectuée pour constituer les zones d'isolation 35 du type P+. 71 15623 5 2088302 Les régions de source et de drain 36 et 38 du transistor à effet de champ 18 et la région de base 26 du transistor bipolaire 22 sont ensuite formées au cours d'une même opération de diffusion, dont le résultat est montré sur la figure 4- Bien que ces 5 régions soient à conductivité du type P comme la région 46 et les zones d'isolation 35elles ne doivent pas être formées en même temps que ces dernières. En effet, la région 46 peut présenter une moindre concentration superficielle d'accepteur, afin d'abaisser la tension critique du transistor à effet de champ 10 20 à porte isolée. Par ailleurs, les zones d'isolation 35 sont plus profondes, de manière à assurer une isolation adéquate. La concentration superficielle d'accepteur dans la région 46 16 3 doit être sensiblement supérieure à 5.10 /cm . Ce niveau de dopage peut être obtenu, par exemple, en contrôlant soigneu-15 sement la diffusion de cette région. L'opération suivante du procédé conforme à l'invention consiste à former simultanément, par des techniques de diffusion connues, l'émetteur 28 du transistor bipolaire 22, son contact de collecteur 30 et les régions de source et de drain 48 et 50 20 du transistor à effet de champ 20 à canal de type ÎT. Le résultat de osfrte opération . est montré sur la figure 5. L'opération venant après cette diffusion H+ consiste à former les isolations 44 et 56 des portes des deux transistors à effet de champ 18 et 20. Ces isolations sont également 25 montrées sur la figure 5. Les isolations 44 et 56 doivent être formées de manière telle que la densité de charge effectivement fixée soit réduite à une valeur relativement faible. Pour obtenir ce résultat, la surface entière 17 de la couche épitaxiale 16 est recouverte 30 d'un masque 60 de dioxyde de silicium (figure 5) puis des fenêtres 62 sont pratiquées au voisinage des région de canal des deux transistors à effet de champ. Le dispositif 10 est alors porté par chauffage à une température d'environ 875°C, sous une atmosphère humide oxydante contenant un halogénure 35 d'hydrogène, telle qu'une atmosphère de vapeur d'eau et de chlorure d'hydrogène gazeux issue de 1'évaporation d'un mélange azéotropique d'eau et d'acide chlorhydrique. L'halogénure 71 15623 6 2088302 entre en réaction chimique avec les impuretés contenues dans les isolations 44 et 56 pour les transformer en chlorure volatil. Après, leur formation, les isolations 44 et 56 doivent être recuites sous une atmosphère non oxydante à une température 5 relativement élevée, par exemple comprise entre 900°C et 1200°C environ. Les atmosphères utilisables à cet effet sont l'hydrogène, les gaz de réforming, l'hélium et analogue. Ce traitement de recuit provoque une réduction de la densité de charge fixée. Des précautiohs nécessaires doivent être 10 prises pour garantir que la concentration superficielle d'accepteur dans la région 46 de type P soit suffisamment basse pour que la tension critique du transistor 20 à canal N ne soit pas indûment accrue" pendant les opérations d'oxydation et de recuit. Lorsque la plaquette comprend un transistor bipolaire tel que 15 le transistor 22, la température de recuit peut être maintenue en dessous .d'environ 1000°C, afin d'empêcher toute diffusion néfaste de la région d'émetteur. A partir de ce point, le procédé met en oeuvre les opérations classiques illustrées par la figure 6. Des fenêtres 20 de contact sont formées, une couche métallique est déposée sur la surface et le treillis des connexions internes du dispositif est formé dans cette couche pour constituer les contacts montrés sur la figure 6. Un traitement final de recuit peut être prévu, à une 25 température d'environ 450°C pendant quelques 15 minutes à la suite de quoi le dispositif peut être conditionné d'une manière connue en soi. 1'oxydation en présence d'halogène et l'opération de recuit à haute température, ainsi que la faible concentration 30 superficielle d'impuretés dans la région de canal 46, ont pour résultat d'améliorer la tension critique des deux transistors à effet de champ à porte isolée lorsque ces deux dispositifs existent dans la même plaquette. Lorsqu'un transistor à effet de champ et à porte isolée est combiné à un transistor bipolaire, 35 l'oxydation en présence d'halogène et l'opération de recuit à haute température permet la fabrication du transistor à effet 71 15623 7 2088302 de champ sans conséquence néfaste pour les diffusions formant le transistor bipolaire, étant donné que les opérations de fabrication sont effectuées à température relativement basse ou en un temps relativement court. 5 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de mise en oeuvre décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques de ceux décrits et illustrés, considérés séparément ou en combinaisons et mis 10 en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. 71 15623 8 2088302 18 >811 I C 11 I 0 H S 1Procédé pour la fabrication d'un dispositif semiconducteur à circuits intégrés comportant un corps de matériau semiconducteur renfermant au moins deux éléments actifs de natures différentes, dont l'un au moins est un transistor à effet de champ à porte 5 isolée comprenant des régions espacées de source et de drain d'un type de conductivité donné définissant un canal de transfert de charge et une électrode de porte formée au voisinage dudit "canal mais qui en est séparé par une isolation, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer ledit corps sous une atmosphère 10 oxydante-humide renfermant un halogénure d'hydrogène, puis à chauffer à nouveau ledit corps à, une température comprise entre 900°C et 1200°C environ sous une atmosphère non oxydante. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la fabrication d'un dispositif semiconducteur 15 dont au moins un autre élément actif.est un transistor à effet de champ à porte isolée comportant des régions espacées de source et de drain du type de conductivité opposé à celui des régions de source et de drain du premier transistor à effet de champ mentionné. 20 Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'atmosphère oxydante humide précitée est issue d'un mélange azéotropique d'eau et-d'acide chlorhydrique. 4.- Procédé selon 1 a revendication 3, caractérisé en ce que l'atmosphère non-oxydante précitée est formée d'hydrogène, 25 ou bien d'un gaz riche en hydrogène ou de propriétés semblables à celles de l'hydrogène. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à4, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la fabrication d'un dispositif dont au moins un autre élément actif est un transistor 30 blpoLaire comportant des régions d'émetteur, de base et de collecteur. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une opération supplémentaire au cours de laquelle 35 au moins l'une des régions du transistor bipolaire précité est diffusée en même temps que les régions de source et de. drain d'un 71 15623 9 2088302 transistor à effet de champ à porte isolée. 7. Procédé pour la fabrication d'un dispositif monolithique à circuits intégrés comprenant un corps de matériau semiconducteur d'un type de conductivité donné au voisinage de la 5 surface et au sein duquel est formée une zone du type de conductivité opposé, des régions espacées de source et de drain du premier type de conductivité formées ausein de ladite zone au voisinage de sa surface, des régions espacées de source et de drain du type de conductivité opposé formées à l'extérieur 10 de ladite zone au voisinage de la surface dudit corps, et une électrode de porte formée par-dessus l'intervalle séparant chaque paire de régions de source et de drain et séparée dudit intervalle-par une isolation, caractérisé en ce que ladite isolation est formée par chauffage dudit corps sous une 15 atmosphère humide oxydante contenant un halogénure d'hydrogène. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite atmosphère oxydante est un mélange comprenant de la vapeur et du chlorure d'hydrogène gazeux. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce 20 qu'il comprend une opération supplémentaire de réchauffage du corps précité à une température comprise entre environ 900°0 et 1200°C sous une atmosphère non- oxydante. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le corps précité est constitué par une 25 couche épitaxiale formée à la surface d'un substrat du type de conductivité opposé à celui du matériau semiconducteur constituant ledit corps. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la fabrication d'un dispositif à circuits 30 intégrés comprenant en outre des régions de diffusion formées dans la couche épitaxiale précitée pour constituer un transistor bipolaire, et comprend une opération supplémentaire au cours de laquelle au moins l'une desdites régions est diffusées en même temps qu'une paire de régions de source et de drain. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend une autre opération de diffusion au cours de laquelle une autre région du transistor bipolaire précité est formée en temps qu'une autre paire de régions de seurce et de drain.