Brevet FR2081751A1 — publié le 19711210

L'invention concerne des dispositifs semiconducteurs à film mince. Les transistors à film mince (TMî) et plus particulièrement les transistors à film mince à effet de champ (TEEEfT) sont pro-5 duits par évaporation sous vide sur un substrat de couches de métaux, de semiconducteurs et d'isolants. Les évaporations sont faites à travers un système de masques qui définissent les formes des différents matériaux évaporés. Un procédé de fabrication de tels transistors à film mince sur 10 un substrat flexible par l'utilisation d'un système de masques a été décrit dans la demande de brevet britannique ET0 69-23269 déposée le 7 Mai 1969. Pour réaliser des transistors à effet de champ fonctionnant à hautes fréquences il est nécessaire de réaliser un transistor 15 possédant tin écartement étroit entre la source et le drain. En plus, l'électrode de commande doit être déposée entre ladite source et ledit drain. Jusqu'à présent, les procédés de fabrication connus ont limité les fréquences de fonctionnement d'un (TFFET). Par exemple, 20 l'espacement le plus étroit qu'il est possible de réaliser entre la source et le drain par l'utilisation d'un masque métallique est de 10 microns ; ceci est dû aux limitations des procédés photolithographiques et de gravure utilisés dans la fabrication dudit masque métallique. 25 Même s'il était possible de réaliser par l'utilisation d'un masque métallique un transistor avec un plus petit écartement entre la source et le drain, ledit masque ne pourrait être réutilisé car plus le pont formant l'écartement entre la source et le drain est étroit, plus le masque a des chances de s'obstruer. 30 Un masque avec une fente d'électrode de 1 micron ne peut être utilisé qu'une seule fois avant de s'obstruer suffisamment pour perdre ses tolérances. La présente invention a pour objet un procédé pour la réalisation de transistors fonctionnant à haute fréquence dans les-35 quels l'écartement entre'la source et le drain a été diminué jusqu'à un minimum absolu. Avec cet objet en vue, l'invention réside dans un procédé 71 07702 2 2081751 pour la fabrication de transistors à film mince, consistant,' (1) à déposer une couche d'un matériau d'espacement sur une surface principale d'un substrat^ (2) à déposer une couche.métallique sur ladite couche de matériau d'espacement, (3) à enduire au 5 moins une portion de ladite couche métallique d'une couche d'un matériau photorésistanfcy (4) à exposer un motif sur ladite couche de matériau pho'torésistant^ (5) à développer ledit motif sur ladite couche photorésistante^ (6) à graver ledit motif dans ladite couche métallique et ladite couche d'espacement jusqu'à la surfa-10 ce principale du substrat^ (7) à déposer ledit substrat dans une chambre à vide et (8) à déposer successivement et sous vide une pluralité de matériaux à travers ledit motif gravé sur ladite surface principale du substrat, de façon à réaliser sur cette dernière un dispositif semiconducteur à film mince. 15 Pour une meilleure compréhension de la nature et des parti cularités de l'invention, on se référera à la description détaillée faite en référence aux figures dans lesquelles Les figures 1 à 3 sont des vues de côté d'un substrat traité selon les enseignements de la présente invention ; 20 la figure 4 est une vue de côté du substrat préalablement au dépôt sur ce dernier d'un dispositif semiconducteur à film mince ; la figure 5 est une vue en perspective du substrat de la figure 4; 25 la figure 6 est une vue de côté du substrat de la figure 4 durant la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention; les figures 7 à- 11 sont des coupes afeec vues perspective du substrat de la figure 4 durant les étapes de son traitement par le procédé selon la présente invention ; 30 la figure 12 est une vue de côté d'un film mince (PET) pré paré se}.on le procédé objet de l'invention ; la figure 13 est une vue de dessus du substrat de la figure 5 faisant ressortir certaine relation dimensionnelle, et la figure 14 est une représentation graphique de certaine 35 distance et dimension de la présente invention.. En se référant à la figure 1, la référence 10 représente une section d'un substrat pouvant être utilisé pour la mise en 71 07702 3 2081751 oeuvre de la présente invention. Ce substrat peut être rigide ou flexible, métallique ou non métallique et doit avoir une épaisseur d'au moins 0,05 à 0,125 mm. Comme exemples de substrats rigides on peut citer le verre 5 poli, le saphir , des corps en quartz, du diamant et du carbure de silicium. Tous ces matériaux sont non-métalliques. Des substrats métalliques rigides seraient entre autre des blocs de métaux tels que l'aluminium et le cuivre. Comme exemples de substrat flexible, (on entend par matériau flexible un matériau ca-10 pable de s'enrouler sur un madrin d'un diamètre maximum de 2,5 cm et de préférence de l'ordre 6^ 0,3 cm) aussi bien métallique que non métallique^on peut citer, les matériaux suivants : papier, téréphtalate de polyéthylèn-3, esters et éthers de cellulose tel que l'éthyle de cellulose, l'acétate de cellulose, le nitrate 15 de cellulose, de la cellulose régénérée telle que la cellophane, le chlorure de polyvinyle, l'acéto-chlorure de polyvinyle, le chlorure de polyvinylidène j film de nylon ; film de polyimide et imide de polyamide polytétrafluoroéthylène, polytrifluoromono-chloréthylène ; rubans et feuilles de métaux tels que : le nickel 20 l'aluminium, le cuivre, l'étain, des alliages desdits métaux à base de tantale et de béryllium fin, des alliages ferreux tel qu' une bande mince d'acier inoxydable. Il est préférable d'utiliser d® substrats en feuilles ou rubans métalliques du fait de la meilleure conductivité thermi-25 que des métaux. Si le substrat 10 est un métal îbon conducteur de l'électricité tel que l'aluminium par exemple, une couche 12 d'un matériau électriquement isolant est disposée sur la surface supérieure 14 dudit substrat 10 avant la mise en oeuvre du procédé de la pré-30 sente invention ou durant cette mise en oeuvre. La couche 12 peut être constituée de tout matériau électriquement isolant qui adhère sur la surface du substrat. Comme exemples appropriés on peut citer l'oxyde anodique du métal constituant le ruban lui-même comme par exemple l'oxyde d'aluminium 55 si le substrat métallique est en aluminium, des matériaux résineux traités électriquement isolant qui sont utilisés comme isolant sur des fils électriques, des résines phénoliques à base 71 07702 4 2081751 de polyvinyle commercialisées sous la marque ]?ORMEX,des résines époxy comportant des mélanges de résines polyamides-imides et polyimidea L'épaisseur de la couche 12 est choisie de façon à isoler 5 le transistor qui doit être préparé sur le substrat. En se référant à la figure 2, une couche 16 d'un matériau d'espacement est ensuite disposée sur la couche 12 de matériau isolant. Le matériau d'espacement 16 peut être constitué de n'importe 10 quel matériau pouvant être facilement dissout ou facilement gravé. L'importance de cette caractéristique apparaîtra ultérieurement lors de la description détaillée du procédé. Gomme exemples de matériaux d'espacement qui peuvent être utilisés on peut citer le polyméthylméthacrylate qui est facilement solubie dans 15 l'acétone, le chlorure de sodium qui est facilement soluble dans l'eau, le cuivre qui est facilement gravé aTec de l'acide jlitri-que et l'aluminium qui est facilement grairé par une solution d'acide nitrique ou d'hydroxyde de sodium. En plus, on peut utiliser tout composé organique, tel que le polystyrène, qui est fa-20 cilement soluble dans un solvant organique, le toltû-ene, la benzène, les alcools, etc. L'épaisseur de la couche d'espacement dépend des caractéristiques désirées du dispositif final et des équipements utilisés au cours du traitement. Cette caractéristique sera discutée plus 25 en détail plus loin. De toute façon une épaisseur de 5 à 20.microns est généralement satisfaisante. En se référant à la figure 2 une couche métallique 18 est disposée sur la couche 16 du matériau d'espacement ou au moins sur une portion de cette dernière. L'épaisseur de cette couche O 30 18 n'est point critique. Une épaisseur de l'ordre de 500 A à O 1000 A a été trouvée satisfaisante. La couche métallique 18 peut être constituée par tout métal non soluble ou qui n'est pas facilement gravé dans le solvant ou par le produit de gravure de la couche d'espacement. Comme exemples de métaux qui peuvent 35 être utilisés, on peut citer l'or, le platine, le titane et le chrome. En se référant à la figure 4, une couche 20 d'un matériau 71 07702 5 2081751 photorésistant est ensuite déposée sur au moins une portion et de préférence sur la totalité de la couche 18. Un motif à fente et fenêtres est ensuite imprimé sur la couche 20 et puis développé dans ladite couche. La portion de photoresist dévelop-5 pée dudit motif est ensuite enlevée pour tout moyen approprié connu de l'homme de l'art. Une ouverture en forme d'une fente 22 et d'autres en forme de fenêtres 23, 25 et 27 sont réalisas dans la couche métallique 18 par gravure ou par tout autre moyen connu de l'homme de l'art^ 10 et par l'utilisation d'un solvant ou d'un produit de gravure une portion de la couche d'espacement 16 est enlevée de façon qu'une portion 24 de la couche isolante soit exposée. La figure 5 représente une vue en perspective de la structure à ce stade. La fente 27 est recouverte à nouveau avec un masque mécani-15 que. La structure du substrat-est ensuite disposée dans une chambre à vide de laquelle on pompe l'air jusqu'à l'obtention d'une —5 pression inférieure à 10 ^ torr et de préférence inférieure à lO-''7 torr. Le substrat est ensuite positionné, en vue du dépôt par va-20 porisation des électrodes de source et de drain. Lesdits source et drain peuvent être constitués par n'importe quel métal choisi parmi le groupe constitué par l'or, l'ar|$ent, l'aluminium et le nickel. En se référant à la figure 6, la source 30 qui délivre au 25 substrat le métal destiné à former les portions de l'électrode 32 de source et celle 34- de drain, forme un angle A avec la ver-ticâLe. Les vapeurs de métal passent de la source 30 à travers l'ouverture 22 dans la couche métallique 18 et frapp^ une partie de la portion exposée 24. L'angle A est un angle dont la tangente 30 est : . . -1 ^distance entre les électrodes de source de drain\ ® ^épaisseur de la couche d'espacement J Après ce dépôt la formation de l'électrode 32 de source et celle 34- cLe drain est complétée par le dépôt réalisé à partir 35 d'une source 36 qui fait un angle B avec la verticale. Les angles A et B sont égaux et sont calculés de la même manière. La largeur des pattes parallèles, l'électrode 32 de source et l'électrode 71 07702 6 2081751 34 de drain dépend des dimensions de l'ouverture 22. Pour réaliser un transistor à film mince à effet de champ fonctionnant en hyperfréquence il est souhaitable d'avoir la distance "L" séparant les électrodes de source et de drain 32 et 34- respective-5 ment, de l'ordre de 1 micron, la figure 7 représente les positions relatives des électrodes de source et de drain 32, 34 sur la portion de surface 24 de l'isolant. La figure 8 représente la position relative de l'électrode de source 52 sur la portion 24 de la couche isolante 12 par rap-10 port à l'électrode 34- de drain de la figure 7. Des dispositifs satisfaisants ont des électrodes de source O O et de drain 32 et 34- respectivement de 100 A à environ 500 A d'épaisseur. Le métal formant les électrodes ayant été déposé à O O un rythme d'environ 0,1 A à 50 A et de préférence d'environ 0,7 O O 15 A à 6 A par seconde. De très "bons dispositifs ont été obtenus avec des électrodes de source et de drain formées par le dépôt o o o d'or d'une épaisseur de 100 A à 300 A à un rythme de 0,7 à 6 A par seconde. Après la formation des électrodes de source et de drain les 20 ouvertures 23 et 25 sont recouvertes avec des maques mécaniques ou par tout autre moyen connu de l'homme de l'art» Gomme représenté à la figure 6, une couche 40 d'un matériau semiconducteur est ensuite disposée entre les électrodes de source et de drain 32 , 34-. La couche 40 peut être constituée par tout 25 matériau semiconducteur tel que par exemple, tellure, sulfure de cadmium, silicium, seleniure de cadmium, arseniure d'indium, ar-seniure de' feallium, oxyde d'étain, tellurure de plomb. La couche 40 de matériau semiconducteur s'étend entre l'électrode de source 32 et l'électrode de drain 54- tout en étant 30 en contact avec ces dernières. De préférence, la couche 40 recouvre partiellement lesdites électrodes. La couche 40 de matériau semiconducteur peut être déposée à partir d'une seule source animée d'un mouvement de rotation et décrivant un arc ou à partir d'une pluralité de sources comme 35 les sources 42 et 44 de la figure 6. Les sources 42 et/ou 44 et touie autre source éventuellement employée sont disposées de façon à former chacune un angle C avec 71 07702 7 2081751 la verticale. L'angle G est détermiiié par l'équation O G tan~^ ç 1/2 distance entre les électrodes de source et; de diaâi\ ^épaisseur de la couche d'espacement ' Le matériau semiconducteur passe à travers l'ouverture 22 5 et est déposé sur et entre les électrodes de source et de drain (32, 34-). La figure 9 représente la position de la couche 40 de matériau semiconducteur par rapport aux électrodes de source et de drain. 10 L'épaisseur de la couche de semiconducteur peut varier d'une O épaisseur moyenne de 40 A pour le tellure à plusieurs milliers d'angstroms pour des matériaux à largeur de "bande plus grande tel que le sulfure ou le seleniure de cadmium. En se référant à nouveau à la figure 6, une couche 50 d'un 15 matériau électriquement isolant est ensuite déposée sur au moins une portion de la couche 40 du matériau semiconducteur. La couche isolante 50 peut être constituée d'un matériau approprié électriquement isolant choisi dans le groupe d'isolant non organique tels que l'oxyde de silicium, le bioxyde de sili-20 cium, l'oxyde d'aluminium, le fluorure de calcium, le fluorure de magnésium, des produits organiques polymérisables tels que les polymères d'hexachlorobutadiène, divinyle-benzène, aryl su]fb-nes, fluorés, alkényls (polytétrafluoroéthylène) et le para-xylène. 25 La couche isolante 50 doit être aussi mince que possible pour permettre la modulation du current du dispositif à une tension relativement faible. Toutefois ladite couche doit constituer un O isolant électrique adéquat. Une couche d'épaisseur 100 A présentait parfois des "trous d'épingle" qui affectaient sa fonc- O 50 tion d'isolation.électrique. Une épaisseur d'environ 500 A apparaît comme étant l'épaisseur minimum assurant contre l'appari- O tion des trous d'épingle tandis que 1000A apparaît être optimum entre une isolation dépourvue de défaut et une modulation à faible tension. Lorsque la tension de fonctionnement du 55 dispositif augmente jusqu'à 100 volts une épaisseur d'environ O 5000 A est souhaitable et à une tension de fonctionnement de 200 O O Y une épaisseur d'environ 500 A à 600 A est désirable. 71 07702 8 2081751 La couche de matériau électriquement isolant 50 peut être déposée par une source unique 52 animée d'un mouvement de rotation et décrivant un arc ou par une pluralité de sources telles que les sources 52 et 54- de la figure 6. 5 Les sources 52 et 54 et toute autre source éventuellement employée sont disposées de façon à former chacune un angle D avec la verticale. L'angle D est égal ou supérieur à l'angle G mais il est toujours inférieur à la valeur maximum de ce dernier telle que définie précédemment. 10 Le matériau électriquement isolant passe à travers l'ouver ture 22 et se dépose sur la couche 40 du matériau semiconducteur. La figure 10 représente la disposition relative de la couche 50 et les couches de matériaux déposées préalablement. En se référant à nouveau aux figures 5 et 6, le masque qui 15 a été déposé sur l'ouverture 27 est enlevé et une électrode de commande 60 est .déposée par vaporisation sur la structure. L'électrode de commande 60 est déposée sur la couche isolante 50 entre l'électrode de source 32 et l'électrode de drain 34. L'électrode de commande 60 est constituée par un métal bon 20 conducteur de l'électricité comme par exemple un métal choisi dans le groupe comprenant 1'aluminium,le cuivre, l'étain, l'argent, l'or et le platine. En vue de s'assurer que l'électrode de commande présente une bonne conductivité, elle doit avoir une OO O épaisseur de 300 A à 1000 A et de préférence de 500 à 1000 A. 25 • L'électrode de commande 60 est déposée à partir d'une source 62 disposée le long de la verticale. Le métal conëituant l'électrode de commande est déposé à travers l'ouverture 22 et la fenêtre 27. La figure 11 représente la disposition relative de l'électro-30 de de commande 60 et des couches de matériaux déposées préalablement . Une fois le dépôt de l'électrode de commande effectué, le dispositif est achevé et le substrat est retiré de la chambre à vide. 35 II est bien entendu préférable de réaliser plusieurs disposi tifs sur le même substrat et que celui-ci se déplace à travers la chambre à vide à la manière dont on tire un rouleau de film 71 07702 9 2081751 d'une "bobine. La figure 12 représente le transistor à effet de champ réalisé selon le procédé de la présente invention. Les avantages découlant de la mise en oeuvre de la présente 5 invention sont nombreux. Premièrement un dispositif p-'-it être réalisé sans l'utilisation de masque métallique onéreuxc. Deuxièmement le dispositif peut être préparé avec l'espacement voulu entre l'électrode de source et l'électrode de drain 10 ce qui n'est pas toujours possible avec le système à masque conventionnel o Les figures 5 et 13 montrent l'espacement entre les fenêtres 23 et 25 et la fente 22 qui permet la fabrication d'un dispositif tel que décrit précédemment avec un espacement de 1 micron entre 15 l'électrode de source et celle de drain. Troisièmement le contrôle de l'espacement est extrêmement précis. Si l'épaisseur de la couche d'espacement est de 10 microns et la distance verticale entre la couche métallique 18 et la source de matériau est de 10 cm, la rapport devient la figure 14. On peut aussi facilement voir qu'un contrôle précis est susceptible d'être effectué sur l'espacement des différentes couches 25 déposées sur le substrat. Les dispositifs réalisés selon le procédé de l'invention auront des gammes de fréquence supérieures à 4 GHz avec une mobili- 2 té de porteur, de 50 cm /V s « seulement. Avec une mobilité de O porteur de 200 cm /V s- la réponse en fréquence du dispositif 30 atteint 16 GHz. 20 D 10cm d = 10 4. = 10 . Cette relation est représentée graphiquement à 71 07702 10 2081751 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un transistor à film mince ostxs-térisé en ce qu'il consiste (1) à déposer une couche d'un matériau d'espacement sur la surface principale d'un substrat (2) à dépo- 5 ser une couche métallique sur ladite couche d'espacement (3) à enduire au moins une portion de ladite couche métallique d'une couche de matériau photorésistant (4) à exposer un motif sur ladite couche du matériau photoréalstant (5) à développer ledit motif sur ladite couche photorésistante (6) à graver ledit motif 10 dans ladite couche métallique et ladite couche d'espacement jusqu'à la surface principale du substrat (7) à déposer ledit substrat dans une chambre à vide et (8) à déposer successivement et sous vide une pluralité de matériaux à travers ledit motif gravé sur ladite surface principale dudit substrat de façon à réaliser 15 sur ladite surface un dispositif semiconducteur à film mince. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit substrat est un métal bon conducteur de l'électricité et en ce qu'une couche d'un matériau électriquement isolant et déposée sur ladite surface principale dudit substrat. 20 3. Procédé selon la revendication 1 ou.2, caractérisé par le fait qu'au moins certains des matériaux déposés sur le substrat sont dirigés sur ledit substrat à partir d'une source décalée d'un certain angle par rapport à la verticale à la surface du motif gravé et dudit substrat. 25 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes carac térisé par le fait que les matériaux déposés successivement proviennent de sources différentes, certaines au moins desdites sources sont décalées d'un certain angle par rapport à la verticale à la surface du substrat, lesdites sources sont placées à 30 une certaine distance de la surface dudit substrat ladite substance étant au moins en valeur absolue plus grande que l'épaisseur de la couche d'espacement. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes carac-. térisé par le fait qu'une portion du motif gravé jusqu'au- 35 dit substrat est masquée durant certains des dépôts des matériaux; 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait que les matériaux; déposés successivement sont 71 07702 n 2081751 constitués par un premier métal, tin second métal, un matériau semiconducteur, un matériau électriquement isolant et un troisième métal. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait 5 que le premier et le second métal déposésproviennent d'une source décalée par rapport à la verticale à la surface du substrat d'un angle dont la tangente est fonction de la distance désirée entre les deux premiers dépôts de métaux et de l'épaisseur de la couche de matériau, d'espacement déposée sur le substrat. "10 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7» caractérisé par le fait que le dépôt du matériau semiconducteur provient d'une source décalée par rapport à la verticale à la surface du substrat d'un angle dont la tangente est fonction de la distance séparant les deux dépôts métalliques antérieurs et de l'épaisseur de la 15 couche de matériau d'espacement déposée sur le substrat. 9. Transistor à film mince à effet de champ réalisé par le procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un substrat métallique flexible, une première couche d'un matériau électriquement isolant déposée sur au moins 20 une surface principale dudit substrat, une couche d'espacement d'épaisseur prédéterminée disposée sur ladite première couche de matériau électriquement isolant, une couche métallique disposée sur ladite couche d'espacement, une ouverture pratiquée à travers ladite couche métallique et ladite couche d'espacement jus-25 qu'à ladite première couche de matériau électriquement isolant, une première électrode, une seconde électrode, lesdites première et seconde électrodes étant espacées l'une de l'autre et fixées sur ladite première couche de matériau électriquement isolant à l'intérieur de ladite ouverture, une couche de matériau semicon-30 ducteur s'étendant entre lesdites première et seconde électrodes et étant en contact avec ces dernières, une seconde couche de matériau électriquement isolant disposée sur ladite couche de matériau semiconducteur, me troisième électrode disposée sur ladite couche de matériau électriquement isolant. 35 10. Transistor à film mince à effet de champ selon la reven dication 9 caractérisé par le fait que ladite couche d'espacement est constituée par tout matériau susceptible d'être facilement dissout ou finalement gravé. 71 07702 12 2081751 11. Procédé pour la fabrication d'un transistor à film mince et transistor, à film mince réalisé par ledit procédé tel que décrit précédemment enréférence aux figures annexées.