Brevet FR2079373A1 — publié le 19711112

Cette invention a trait à une méthode de fabrication rationnelle de transistors à effet de champ avec des électrodes de commande (ou grilles) isolées, plus particulierement par des couches isolantes rie niU2 dopées au phosphore. Comparativement aux méthodes existantes, le procédé de cette invention est particulièrement rationnel puisqu'il offre la possibilité de produire des transistors à effet de champ avec des couches isolantes pour l'électrode de commande, dont l'épaisseur est inférieure à lOLA (sJÀ et moins) sans que le rendement soit diminué de façon notable.En outre, dans le cas de transistors à effet de champ dont les couches isolantes de SiO2 sont oopees au phosphore pour le piégeage des charges de surface, on obtint d'autres avantages qui seront décrits en détails plus loin. Il est bien connu que les transistors à effet de champ avec des électrodes de commande isolées sont difficiles à manipuler parce que, souvent des charges mimes insignifiantes apparaissent durant le transport ou l'installation, sur la couche isolante mince ( Ainsi, par exemple, les transistors à effet de champ ayant des couches isolantes minces (moins de 1000 A, par exemple 500 A) ont ou être pourvus de dispositifs de protection compliques ce qui entrain des inconvénients causés par les courants de perte qui se créent. En outre, dans certaines réalisations de circuit, l'utilisation de diodes de protection est impossible. Compte tenu des risques de court-circuit inhérent aux couchers isolantes minces ds l'électrode de champ des transistors à effet de champ une fois réalisés, il semble évident que la probabilite de court-circuit au cours de la fabrication est très élevées ce qui explique le faible rendement que l'on peut alors obtenir. Les transistors a effet de champ comme les transistors bipolaires sont normalement pourvus d'une couche de passivation pour rentre leurs surfaces étanches à toutes influences extérieures nocives.Dans la plupart des cas, la couche de passivation se compose de dioxyde de silicium elle est appliquée aux dispositifs, en regle générale, par pulvérisatiir cathodique d'une source de bioxyde de silicium dans un système de pulvérisa- tion cathodique fonctionnant avec une énergie haute fréquence. Il a été remarqué que, plus Particulièrement durant le dernier stade, un fort pourcentage de transisistors à effet de champ était rendu inutilisable à cause des courtscircuits. Le but de cette invention est donc de fournir un meilleur procédé pour la fabrication rationnelle de transistors à effet de champ avec des électrodes de commandes isolées, procédé qui permet de réduire considérablement la quantité de matériel mis au rebut durant le stade critique lors de l'application de la couche de passivation. La méthode employée pour résoudre le problème de l'application de la couche protectrice de bioxyde de silicium aux transistors à effet de champ utilise le procédé connu de pulvérisation cathodique, procédé dans lequel une source de bioxyde de silicium est pulvérisée au moyen d8un système-d2 pulvérisation cathodique fonctionnant avec une énergie à haute fréquence. Le procédé présenté dans cette présente invention est caractérisé par le fait que l'épaisseur totale de la couche est appliquée en deux phases successives, au moins, de pulvérisation cathodique, et par le fait que, durant la phase initiale, on fait fonctionner le trajet de décharge de gaz créant la pulvérisation avec une énergie considérablement réduite par rapport à celle utilisée durant la phase finale. La structure d'un transistor à effet de champ du type utilisé pour cette invention comprend: un substrat semiconducteur de type P dans lequel deux zones conductrices N pourvues de contacts sont encastrées selon un espacement déterminé. Ces zones servent à alimenter le courant de fonctonnemsnt du transistor et sont, de ce fait, appelées source et drain. La petite zone entre la source et le train est munie d'une mince couche d'oxyde, sur laquelle est appliquée une couche de métal mince servant d'électrode de champ. Cette dernière commande la conductivite du canal qui prend la forme deune couche d'inversion entre les électrodes principales (source et drain) et qui, dans la configuration mentionnée plus haut, est du type de conductivité N.Du fait de la succession des couches: métal-oxyde-matériau semiconducteur le type d'appareil décrit c:-dessus est également désigné sous le sigle MOS FET (métal oxyde semiconducteur field effeet transistorl. Il est également connu sous le nom de transistor à effet de champ avec électrode de champ isolée. En pratique, le materiau semi-conducteur se compose presque exclus vement de silicium, l'oxyde isolant est du bioxyde de silicium (SiO2), et le métal de l'électrode de commande de l'aluminium.Ceci est du au fait que c'est pour les couches frontières SiO2 -Si que les effets de surface, ql sont difficiles à contrsler-et qui, contrairement aux transistors bipolaires, affectent considérablement le mécanisme d'amplification des transistors à effet de champ, sont les mieux connus. Quand, pour rendre le dispositif partiellement ou complètement étanche extérieurement, on applique une autre couche de passivation composée de SiO2 au moyen d'un procédé de pulvérisation cathodique dans un système de pulvérisation cathodique dans lequel le substrat est maintenu au potentiel de la masse, ce procédé produit une accumulation des charges a la surface du dispo- sitif qui doit être passivé, en particulier sur la cruche d'oxyde engendrés dans la zone située au-dessus de l'électrode de champ. Ces charges produisent un champ électrique dont les lignes de force s'étendent dans une direction normale à travers la couche protectrice supérieure composée d'oxyde et la couche d'oxyde isolante située entre l'électrode de champ et le substrat semi-conducteur.Supposons que la charge reste pratiquement constante pendant la durée du procédé de pulvérisation, le champ électrique à travers la couche croissante d'oxyde est d'autant plus fort que la couche c'oxyde est plus mince. Il s'ensuit donc que les champs électrioues les plus importantes, c'est à dire les champs les plus nocives pour la couche d'oxyde isolant l'é- lectrode de champ, apparaissent au début du procédé de pulvérisation et dimin- uent au fur et à mesure que l'épaisseur de la couche augmente. Il est donc possible de réduite la valeur du champ maximum oui apparaît pendant la pulvérisation des couches d'oxyde de passivation et par conséquent, de réduire les dommages qui en résultent pour lesdits dispositifs. Pour cela, il faut que le champ global, c'est-à-dire le champ du courant alternatif et les autres composantes de champ (comme par exemple les effets de pointeC-) reste aussi faible que possible.Etant donné eue, la valeur de cher; oui apparatt est determinée par l'énergie à haute fréquence appliquée au trajet de décharge, il faut faire n sorte que, au début du Procédé de pulv@risation, le trajet de décharge fonctionne avec une énergie très réduite. quand l'épais- seur de la couche pulvérisée est approximativement d'1/1Cième de l'épaisseur requise, on peut alors appliquer toute l'énergie. Ainsi, la pulvérisation s'effectue en deux phases pendant lesquelles on fait fonctionner le trajet de décharge avec des énergies différentes. En principe, les phases de pulvé- risation pourraient être subdivisées, en plus de deux phases associées à plus de deux niveaux d'énergie, correspondant. Actuellement, on ne trouve pas encore de tests ou de mesures correspondants. De bons résultats ont été obtenus pour des systèmes de pulvérisation fonctionnant avec deux niveaux d'énergie. Pendant la premiers phace de puiverisation, l'énergie appliquée était de C,7 W/cm jusqu'à ce nue le SiO2 ait atteint une épaisseur d'environ 2000 A > ce qui demande environ 15 minutes. Ensuite on a fait fonctionner le trajet de décharge avec une énergie d'environ 2 W/cm2, il a fallu alors 45 minutes pour que l'épaisseur de la couche atteigne 20 000 . Pendant cette augmentation, il faut éviter des instabilités de décharge excèdant le faible niveau d'énergie requis. Le tableau I a trait à deux séries de tests A et B, comprenant chacune 23 dispositifs similaires à des FET au silicium. Dans tous les systèmes, la tension de claquage a été évaluée ou testée jusqu'à une valeur minimum avant et après pulvérisation de la couche de passivation protectrice composée de SiO2. Dans la série de tests A, la couche protectrice de passivation était crée de façon classique en pulvérisant le SiO2 au moyen d'un trajet de décharge que l'on faisait fonctionner de façon continue à 500 W et avec une densité de 2 W/cm2 pendant 55 minutes. Dans la série de tests B, la pulvérisation était effectuée conformément au procédé de la présente invention. Le SiO2 était d'abord pulvérisé avec une énergie réduite de 200 W pendant 15 minutes, puis, avec une énergie de 500 W pendant 5Q minutes. Dans tous les dispositifs, la tension de claquage dépassait 40 V avant la passivation, c'est-à-dire qu'aucun phénomène de claquage ne se produisait à l'application d'une tension de 40 V. Comme on peut le voir d'après le tableau, la méthode de passivation classique entrain plus fréquemment un court-circuit total ou des sauts de courant allant de 1 à 15 mA, que les dispositifs de passivation conformes à l'invention (courtcircuit total: 6:1; sauts 7:3; dispositifs satisfaisants 10:19). TABLEAU I Série de tests A (2W/cm2) Série de tests e Tension de claquage Tension de claquage (2W/cm2) (1ère phase de pulv. 0,7W/cm2 (2ème phase de pulv. 2,0W/cm2 Avant Après Avant Après Passivation Passivation 0,1 mA/25 V 46 V 0,15 mA/50 V 42 V 0,10 mA/50 court-circuit court-circuit 48 Il court-circuit 60 48 V 55 court-circuit 0,1 mA/40 V I I court-circuit 53 50 V Toutes 45 V Toutes 45 valeurs valeurs V 50 40 V 50 44 V 35 0,1 mA/45 V 48 45 V 40 0,3 mA/55 V court-circuit 70 court-circuit @0 I I J court-circuit t JJ 50 0,15 mA/50 V 80 0,15 mA/50 V 48 55 50 I Il 52 1 11 35 42 0,1 mA/40 V 40 0,15 mA/50 V Ceci prouve que la passivation faite conformément au procédé de l'invention assure un rendement qui est presque double par rapport à celui obtenu avec les procédés existants. On sait que l'on peut améliorer la stabilité du potentiel de surface des transistors bipolaires ou unipolaires en dopant le bioxyde de silicium avec du phosphore, Dans le cas des transistors à effet de champ, cette méthode donne des caractéristiques améliorées étant donné que, comme cela a été mentionné plus haut, les paramètres de ces appareils sont considérablement influencés par les charges de surfaces sur l'interface oxyde/semiconducteur. En aioutant du P205 à la couche isolante de l'électrode de champ des systèmes comportant l'interface SiO2-Si, on obtient un nouveau système métal- un verre phosphosilicaté- Si avec un métal. Plusieurs mécanismes partiellement vérifiés ont été proposés pour expliquer l'effet stabilisateur existant dans de telles structures dopées au phosphore. L'un de ceux-ci est basé sur des ions de piègage qui engendrent des charges nocives et qui sont praduits par les atomes de phosphore. Cependant, la couche de verre de phosphore rend ces ions élec- triquement polarisables. Les paramètres oui influencent l'effet stabilisateur sont, an plus de la température utilisée, la concentration du phosphore et la valeur du champ maximum à laquelle est exposée la couche isolante de Si02 dopée au phosphore. On a découvert récemment dugon améliorait les caractéristiques de stabilité en augmentant la cqncentration en phosphore de l'oxyde isolant liélectro- de de champ. Cela produit cependant un changement indésirable dans la tension de seuil dVT après passivation, changement qùi est apparemment dû aux effets de polarisation accrus des atomes de phosphore. Ces effets, à leur tour, sont proportionnels à la valeur du champ électrique qui atteint son maximum au début de ia pulvérisation, quand la couche de passivation est encore mince. Tout le système métal, verre au silicate de phosphore, SiO2-Sl et en particulier la mince couche d'oxyde SiO2 dans la zone de l'électrode de champ, est exposée au puissant champ électrique. Le procédé qu'offre cette invention consiste essentiellement à limiter la valeur du champ électrique en faisant fonctionner le trajet de décharge de pulvérisation avec une énergie réduite au commencement du procédé ds pulvérisation. En outre les fréquences des courts-circuits et la polarisation des atomes de phosphore sont réduites, ce qui diminue les dérives indésirables dans la tension de seuil AVT et améliore la qualité des dispositifs et le rendement. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de realisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de dispositifs à effet de champ à grille isolée du genre comportant une isolation de ladite grille par une couche de SiO2 dopée au phosphore formée par pulvérisation cathodique HF à partir d'une source de SiO2 caractérisé en ce que la couche d'isolation est formee au moins de 2 phases successives et que durant la phase initiale, le chemin de décharge gazeuse créant la pulvérisation est effectué à une puissance inférieure à celle utilisée durant les autres phases. 2.- Procédé de fabrication selon la revendication 1 dans lequel le chemin de décharge gazeuse est commandé pendant environ 15' avec une densité de puissance de 0,7 W/cm2 durant la première phase et pandant la seconde phase finale pendant 45' avec une densité de puissance de 2 W/cm2, 3.- Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la couche de passivation de SiO2 réalisant l'isolation a une épaisseur de 20 000 , 4.- Procédé de fabrication selon la revendication 1 dans lequel lesdits dispositifs sont des transistors.