Brevet FR2090139A1 — publié le 19720114

La présente invention concerne un nouvel ensemble à semiconducteur du type silicium/oxyde et son procédé de fabrication. On a déjà réalisé des ensembles semi-conducteurs du type silicium/oxyde. Cependant, on a observé que la couche monocristal-5 line de silicium incorporée dans un tel ensemble a en général une épaisseur assez mal déterminée qui complique la réalisation de dispositifs ultra-rapides à grande densité de circuits. Il serait par conséquent utile de disposer d'un ensemble à semi-conducteur du type silicium/oxyde, nouveau et amélioré et d'un procédé qui 10 remédie à l'inconvénient ci-dessus. L'ensemble à semi-conducteur selon l'invention est constitué par un support sur lequel une couche monocristalline de matériau semi-conducteur est fixée. Une couche formée par épitaxie d'un matériau semi-conducteur monocristallin est fixée à la première 15 couche citée du matériau semi-conducteur et l'ensemble forme ainsi une couche complexe ayant partout une épaisseur bien déterminée et uniforme, avec de plus une surface sensiblement plane. Suivant le procédé de l'invention, on réalise une plaquette de matériau semi-conducteur et ensuite un support de ladite pla-20 quette. Pour obtenir une couche de matériau semi-conducteur monocristallin d'épaisseur bien déterminée, on forme par épitaxie une couche de matériau semi-conducteur sur la première couche citée de matériau semi-conducteur monocristallin. On peut incorporer ensuite à cet ensemble des dispositifs à semi-conducteurs. 25 La présente invention a donc pour objet un ensemble à semi conducteur et un procédé qui permet de réaliser des dispositifs ultra-rapides et à grande densité de circuits, l'ensemble du type ci-dessus comprend une couche de matériau semi-conducteur monocristallin qui a partout une épaisseur bien déterminée, et il 30 est possible d'y incorporer des couches encastrées relativement grandes avec une très faible augmentation de capacité, de plus, il est possible de réaliser une séparation par diffusion ; l'invention concerne également les procédés correspondants de réalisation simple d'un ensemble à semi-conducteur du type ci-deBsus. 35 D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 71 17967 -2- 2090139 les figures 1 à 8 sont des coupes partielles fortement agrandies d'un ensemble à semi-conducteur selon l'invention et représentent les diverses opérations de sa fabrication. les figures 8A et 8B représentent une variante de la 5 réalisation de la figure 8. les figures 9 à 11 sont des coupes partielles fortement agrandies,représentant les opérations additionnelles nécessaires pour former des circuits dans les ensembles représentés sur le» figures 8 et 8B. 10 la figure 12 est une vue en plan de l'ensemble à semi conducteur représenté sur la figure 11. Les opérations de réalisation de l'ensemble à semi-conduc-teur silicium/oxyde avec une couche d'épaisseur bien déterminée sont représentées sur les figures 1 à 12. On réalise un tel eneem-15 ble à semi-conducteur à partir d'une plaquette 16 de semi-con-ducteur. En général, cette plaquette de semi-conducteur est constituée par du silicium dopé par une impureté du type N. La plaquette 16 comporte des surfaces supérieure et inférieure 17 et 18 sensiblement planes et parallèles qui ont été meulées et polies. 20 Une couche 21 d'oxyde de silicium ou silice est formée sur les surfaces extérieures de la plaquette 16 de manière connue (figure 2). Une couche-support 22 est ensuite déposée sur la couche d'oxyde recouvrant la surface 17. Cette couche-support 22 est en général constituée par du silicium polycristallin déposé sur la 25 couche 21 de silice. Après cela, une partie de la plaquette originelle de silicium est enlevée mécaniquement ou chimiquement de manière classique pour obtenir une plaquette de semi-conducteur 16 qui a une épaisseur assez bien déterminée. L'enlèvement mécanique peut être réalisé par meulage et polissage tandis que l'enlè-30 vement chimique est obtenu par attaque chimique. En tout cas, une nouvelle surface 23 est formée sur la plaauette 16 de semi-conducteur. Lors de la réalisation de la plaquètte 16 de semi-conducteur (figure 4), on a observé que ses bords sont parfois arrondis et que l'épaisseur de cette plaquette peut varier d'un côté à l'autre 35 si bien qu'en fait le monocristal 16 de silicium a une forme légèrement en biseau. Pour remédier à cet inconvénient, une couche 24 de silice est formée sur la surface 23 de la plaquette 16. Une 71 17967 2090139 couche formant réserve photographique est ensuite déposée sur la couche d'oxyde 24. Cette réserve photographique est impressionnée "à travers un cache approprié et ensuite développée, les parties non impressionnées de cette couche de réserve photo-5 graphique sont éliminées et ensuite on utilise un mordant pour attaquer la silice qui a été mise à nu par la réserve photographique de manière à former une fenêtre 26 dans la couche 24, qui met une à nu/partie de la surface 23 de la plaquette 16 de silicium semiconducteur. Une couche encastrée est ensuite formée dans la pla-10 quette 16 par diffusion d'une impureté appropriée telle que l'arsenic à travers la fenêtre 26 pour former une région. 27 limitée par une jonction P-N 28 en forme de cuvette qui s'étend jusqu'à la surface 23, au-dessous de la couche d'oxyde 24. Après la formation de la couche encastrée 27, la couche 15 d'oxyde 24 est séparée de la surface 23 par des moyens appropriés tels qu'un mordant. Une couche épitaxiale 31 de silicium du type N est ensuite formée sur la surface 23 de la plaquette 16 de silicium du type N. Cette couche épitaxiale "31 est formée avec une épaisseur bien déterminée de manière à réaliser en combinaison avec la 20 couche 16 une couche complexe ayant l'épaisseur désirée, bien déterminée à l'avance, pour l'ensemhle à semi-conducteur décrit ci-après. Ensuite, comme l'indique la figure 8, une couche 32 de silice est formée sur la surface 33 de la couche épitaxiale 31 « Des fenê-25 très 34 sont ensuite ménagées de manière connue dans la couche d'oxyde 32. Par exemple, on peut appliquer une réserve photographique sur la oouche d'oxyde et impressionner cette rééerve à travers un cache. La réserve photographique est ensuite développée de manière que les parties non impressionnées soient enlevées 30 et ensuite on utilise un mordant approprié pour enlever les parties à nu de la silice pour former les fenêtres 34. Une impureté du type P tel que le bore est ensuite diffusée à travers les fenêtres 34 pour former des régions 36 du type P délimitées par une jonction P-N 37 en forme de cuvette qui va jusqu'à la surface 33. 35 Les figures 8A et 8B représentent un autre procédé. Au lieu d'introduire des régions séparatrices du type P après la formation d'une couche épitaxiale, il est possible de former des 71 17967 2090139 régions séparatrices du type P avant la formation de la couche épitaxiale 31. Par conséquent, avant les opérations représentées sur la figure 7, et après l'opération représentée sur la figure 6, des fenêtres 39 peuvent être ménagées dans les couches d'oxyde 5 24 de la manière décrite ci-dessus, et ensuite une impureté du type P est diffusée à travers les fenêtres pour former les régions 36 du type P qui sont délimitées par les jonctions 37 P-ï en forme de cuvette qui vont jusqu'à la surface 23. Dès que ceci a été fait, la couche d'oxyde 24 peut être enlevée et ensuite la 10 couche épitaxiale 31 peut être formée. Pendant la durée de la formation de cette couche épitaxiale, les régions 36 du type P et la région 27 N+ diffusent vers le haut dans la couche épitaxiale comme indiqué sur la figure 8B. On a ainsi réalisé une structure fondamentale à trois cou-15 ches, comme l'indiquent les figures 8A et 8B. La première est une couche monocristalline de silicium formée par l'ensemble de la couche épitaxiale 13 et de la plaquette 16 de semi-conducteur, la couche 21 de silice et la couche-support 22 de silicium poly-cristallin. On forme dans le matériau monocrirtallin du type S 20 des régions P+ 36 qui diffusent vers le haut et vers le bas danc la couche monocristalline de silicium pour compléter la séparation des divers composants électriques formés dans l'ensemble à semi-conducteUr. La région N+ 27 est incorporée dans la partie centrale et elle forme en fait une région encastrée N+ dopée à l'ar-25 senic dans l'ensemble à semi-conducteur. On voit ainsi qu'on a réalisé un "bloc fondamental" qui peut être utilisé pour réaliser divers ensembles à semi-conducteur. Les opérations restantes sont quasiment classiques. Par conséquent, comme l'indique la figure 9, on peut former une couche 41 de silice 30 sur la surface 33 et former une fenêtre 42 à l'intérieur par morsure de la manière décrite ci-dessus pour mettre à nu le matériau semi-conducteur monocristallin qui est dessous. On diffuse ensuite une impureté du type P, telle que le bore à travers la fenêtre 42 pour former une région 43 du type P qui est placée à l'inté-35 rieur d'une jonction P-N 44 en forme de cuvette qui va jusqu'à la surface 33 au—dessous de la couche d'oxyde. Cette région peut servir de "base" pour un dispositif à semi-conducteur. Pendant la 71 17967 -5- 2090139 diffusion formant la base, une couche 46 mince d1 oxyde est formée dans la fenêtre 42. Pendant cette diffusion formant la base, on peut voir que les régions 36 du type P ont continué à diffuser vers le haut et vers le ba8 dans la plaquette de semi-5 conducteur monocristallin. Tout l'oxyde sur la surface 33 peut être enlevé puis reformé et une fenêtre 47 peut être ménagée dedans pour l'opération de diffusion destinée à former l'émetteur. En variante, une fenêtre 47 peut être ménagée dans la mince couche d'oxyde 46. Une impureté du type N telle que le phosphore 10 est ensuite diffusée à travers la fenêtre 47 pour former une région du type N 48 délimitée par une jonction P-N 49 en forme de cuvette qui va jusqu'à la surface 33 qui est placée à l'intérieur de la jonction P-N 44. Pendant cette diffusion formant l'émetteur, les régions séparatrices P+ ont diffusé dans tout l'intervalle 15 entre la couche 21 de silice et la couche de silice 41. La couche 41 peut à nouveau être enlevée et reformée pour réaliser une couche 51 de silice. Cette couche de silice 51 est masquée et attaquée de manière classique pour former plusieurs fenêtres 52. Un métal approprié tel que l'aluminium est ensuite déposé sur la surface 20 de la couche 51 de silice. La partie indésirable de la couche d'aluminium est&ise à nu par des techniques photolithographiques et attaquée par voie chimique ou électrolytique de manière à laisser les contacts 53 du collecteur, 54 de la base et 56 de l'émetteur, si bien qu'on obtient un dispositif à semi-conducteur conç>let 25 qui est électriquement séparé ou isolé des autres dispositifs à semi-conducteur qui peuvent être formés dans la plaquette de semiconducteur. L'ensemble à semi-conducteur et le procédé décrits ci-des-sus ont de nombreux avantages. Si l'on désire réaliser des circuits 30 haute fréquence à haute densité, il est très important de réduire au m-Sirimnm les capacités parasites qui ont tendance à réduire la rapidité du dispositif à semi-conductèur. La réalisation décrite, utilisant l'ensemble silicium/oxyde présente par inhérence l'avantage de réduire considérablement les capacités parasites collecteur-35 support qui existent entre la couche encastrée et la matière qui se trouve au-dessous de la couche encastrée. Dans l'ensemble silicium/oxyde décrit, la matière qui est au-dessous de la couche 71 17967 2090139 encastrée N+ est de la silice qui a une capacité propre bien inférieure à celle d'un matériau classique du type P. On peut former des dispositifs actifs et passifs dans l'ensemble silicium/oxyde décrite avec une précision assez grande, étant donné 5 qu'il est possible de former la couche épitaxiale de manière assez précise de façon à observer une tolérance de + 10 ?£ ou mieux sur l'épaisseur globale pour la plaquette monocristal1ine de semi-conducteur, dans laquelle on forme les dispositifs. Pour les circuits intégrés ultra-rapides, il importe de 10 maintenir des diffusions très peu profondes dans le silicium mono-cristàllin. A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche diffusée formant la base d'un circuit ultra-rapide ne doit pas dépasser un micron, et doit être en contact avec la couche encastrée ou être à une distance maximale déterminée de la dite couche. Pour ce motif, 15 il importe de connaître avec précision l'épaisseur de la plaquette monocristalline de semi-conducteur, de sa surface supérieure à la couche encastrée. Cette couche encastrée peut subir une diffusion profonde avant de déposer la couche épitaxiale, ce qui réduit la résistance du collecteur puisque l'air de la section trans-20 versale de la couche encastrée est augmenté. Plus la matière contenue dans la couche encastrée est fortement dopée, plus la résistance de saturation du collecteur et la constante de temps du collecteur qui est un des facteurs déterminant la rapidité, sont petites. Avec la présente réalisation, étant donné que la capacité 25 entre la couche encastrée et la matière du support est bien plus petite qu'avec le matériau épitaxial classique, il est possible d'augmenter les dimensions autres que l'épaisseur de la couche encastrée sang^ayer cela par une augmentation de capacité. Par conséquent, comme l'indique la figure 12,1a couche N+ encastrée 30 peut avoir de très grandes dimensions et, en fait, peut recouvrir en quasi-totalité toute la région entre les colonnes séparatrices diffusées. Ceci permet de réduire la résistance de saturation du collecteur sans augmenter la capacité collecteur-support. Par conséquent, avec la présente réalisation, on observe seulement une 35 très faible augmentation de capacité quand on augmente considérablement les dimensions de la couche encastrée. Compte tenu de ce qui précède, on voit que l'ensemble sili 71 17967 2090139 cium/oxyde qui a été réalisé, présentede nombreux avantages. Il conserve la séparation et la réduction au minimum deB capacités parasites réalisables avec les ensembles classiques à semiconducteur du type silicium/oxyde. L'épaisseur déterminée avec 5 précision de la plaquette de semi-conducteur monocristallin dans laquelle les dispositifs sont réalisés permet de fabriquer des circuits intégrés à haute performance. Les dimensions de la couche encastrée peuvent être considérablement augmentées réduisant ainsi les durées de commutation et le produit "puissance x vi-10 tesse". Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre indicatif, mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 71 17967 2090139 HEVEETDICATIOKS 1. Ensemble à semi-conducteur, qui comprend un support, une couche de matériau semi-conducteur monocristal!1nyplacée sur ledit support et une couche de matériau semi-conducteur aono-5 cristallin formé par épitaxie et fixé à la première couche citée de matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu*on forme,par association avec ladite couche citée en premier de matériau semi-conducteur monocristallin,une couche complexe ayant partout une épaisseur bien déterminée et uniforme, avec une surface sen- 10 siblement plane. 2. Ensemble à semi-conducteur selon la revendication t, caractérisé en ce que lesdites couches formant ladite couche complexe sont dopées par une impureté du même type. 3. Ensemble semi-conducteur selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que ledit support est constitué par un matériau semi-conducteur polycristallin et en ce que ladite couche complexe est formée par du silicium. 4. Ensemble semi-conducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est associé à une couche de silice déposée 20 entre ledit support polycristallin et lesdites couches associées. 5. Ensemble semi-conducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est associé à une couche encastrée ayant le même type dp conductivité que la couche complexe et est placé dans ladite couche, citée en premier,de semi-conducteur semi-cris- 25 tailin. 6. Ensemble semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est associé à des régions diffusées d'un type de conductivité opposé formées dans ladite couche complexe et qui s'étendent sur toute l'épaisseur de la couche complexe pour 30 former au moins une région séparée à l'intérieur de ladite couche complexe. 7. Ensemble à semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins un dispositif est formé dans les couches associées citées en premier et formées par épitaxie. 35 8. Procédé de réalisation d'un ensemble à semi-conducteur comprenant une couche d'épaisseur bien déterminée, suivant lequel on réalise une plaquette de matériau semi-conducteur monocristallin, 71 17967 -9- 2090139 on forme on support destiné à supporter ladite plaquette et on forme par épitaxie une couche de matériau semi-conducteur monocristallin, sur ladite plaquette, caractérisé en ce qu'on forme par association avec la plaquette de matériau semi-conduc-5 teur monocristallin une couche complexe qui a partout une épaisseur bien déterminée et uniforme et dont la surface est pratiquement plane. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on forme une couche encastrée dans ladite plaquette de maté- 10 riau semi-conducteur monocristal 1 i.n avant de former sur elle une couche épitaxiale. tO. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite plaquette de matériau semi-conducteur monocristallin citée en premier et ladite couche épitaxiale sont toutes deux do- 1 5 pées par une impureté du même type. 11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une opération de formation dans ladite couche complexe, de régions diffusées qui ont une conductivité de type opposé à celle de ladite couche et s'étendent sur toute l'épaisseur 20 de la couche complexe de manière à réaliser au moins une région séparée dans la couche complexe. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération de formation d'au moins un dispositif à semi-conducteur dans ladite région séparée. 25 13. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on forme une couche de silice sur ladite plaquette de semiconducteur avant de former le support sur celle-ci. 14. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en.ce qu'il comprend l'opération d'élimination d'une partie importante 30 de ladite plaquette citée en premier de matériau semi-conducteur monocristallin pour obtenir une couche ayant l'épaisseur désirée. 15. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite couche de semi-conducteur monocristallin est dopée par une impureté d'un seul type. 35 16. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération de réalisation par diffusion d'une région ayant le même type de conductivité dans ladite couche avant de former sur elle une couche épitaxiale. 71 17967 -10- 2090139 17. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte l'opération de formation de régiona diffusées de conductivité de signes opposés dans ladite couche de semiconducteur monocristallin avant la formation de ladite couche 5 épitaxiale. 18. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites régions diffusées de type.de conductivité opposée sont formées dans la couche complexe après la formation de ladite couche épitaxiale. 10 19. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on chauffe l'ensemble à semi-conducteur de manière que les régions diffusées de type de conductivité opposée s*étendent sur toute l'épaisseur de la couche complexe afin de former au moine une région séparée.