Brevet FR2076001A1 — publié le 19711015

La présente invention concerne des procédés permettant de former des contacts métalliques à des transistors à grande vitesse de commutation, et concerne également les contacts proprement dits de tels transistors. Les travaux effectués sur les circuits intégrés comportant des transis-5 tors à grande vitesse de commutation ont permis de constater qu'il est nécessaire que les transistors à très grande vitesse de commutation présentent certaines caractéristiques. CL*expression "très grande vitesse" signifie en l'occurence des fréquences de coupure alpha au-dessus de 5 Ghz et des vitesses de commutation inférieures à 300 picosecondes.3 10 En premier lieu, il est généralement nécessaire dans les transistors à grande vitesse que l'espacement des contacts émetteur-base soit très petit, de l'ordre de 2 microns, afin que la résistance de la base extrinsèque et la capacitance du collecteur soient maintenues à des valeurs minimum. Deuxièmement, il est nécessaire que la largeur de la bande de contact 15 émetteur soit très faible également, de l'ordre de 1 à 2 microns. Prises ensemble, ces deux obligations entraînent deux problèmes importants: primo, une densité de courant très élevée dans la bande de contact émetteur; secondo, les difficultés que présentent le décapage du métal de contact par suite des limitations afférentes aux procédés actuels de photomasquage et de 20 photorésist. Des procédés de fabrication de transistors permettant de disposer la couche métallique qui entre en contact avec l'émetteur au-dessus de la couche métallique qui entre en contact avec la base et de les séparer par une couche de verre et de SiO^ sont connus dans l'art antérieur (brevet des E.U.A n° 25 3 382 568). Ces procédés conviennent a la fabrication de transistors de puissance et de transistors à basse et à moyenne vitesses de commutation, mais non aux dispositifs à très grande vitesse de commutation que la présente invention permet de réaliser. Suivant le brevet mentionné ci-dessus, le trou de contact émetteur peut être obtenu par décapage dans l'oxyde thermique 30 après diffusion de l'émetteur. Afin de s'assurer que ce trou de contact ne dépasse pas de la surface de l'émetteur et ne provoque pas de court-circuit entre la base et l'émetteur, il est nécessaire de laisser e part et d'autre un espace d'au moins 2 microns, de sorte que la largeur minimum pratique de l'émetteur serait d'environ 7 microns. Cet espace de 2 microns est néces-35 saire en raison de la précision du procédé de photogravure et de l'impossibilité de commander complètement le décapage sous-jacent de l'oxyde. Un autre procédé connu dans l'art antérieur pour percer les trous de contact émetteur, tire parti du fait que l'oxyde thermique qui recouvre l'émetteur est plus mince à cet endroit qu'ailleurs, et par conséquent, si la totalité de la surface 40 est décapée sans masquage, les trous de contact émetteur seront percés avant 70 45277 207600l que l'oxyde n'ait été complètement retiré du reste de la surface. Cette méthode est difficile à employer en pratique, et aboutit à des dispositifs qui tombent en panne peu après leur mise en service par suite de court-circuits entre l'émetteur et la base et dans d'autres zones dans lesquelles la fai-5 blesse locale de l'oxyde a été aggravée par son contact avec le décapant. F18me si cette méthode était rendue d'un emploi plus pratique, il faudrait tenir compte du fait que l'invention faisant l'objet du brevet mentionné ci-dessus exige qu'un emplâtre de verre soit disposé au-dessus de chaque contact base selon un procédé photolithographique qui ne laisse qu'une pâte 10 de verre aux endroits requis, et qee cette pâte soit ensuite oxydée pour en retirer les composants organiques, puis fondue pour constituer du verre-Or la précision du procédé photolithographique et l'impossibilité de commander avec précision le positionnement et la forme des bords de la surface de verre fondu exigent qu"un intervalle d'au moins fi microns soit prévu entre la bande 15 métallique de contact de l'émetteur et celle de la base afin que l'on puisse être certain qu'il n'y aura pas de verre au-dBssus de la première et qu'au contraire la seconde sera entièrement recouverte de verre. Lors de la formation de contacts métalliques à des transistors à grand.» vitesse, de meilleurs résultats sont obtenus à l'aide d'une couche de nitrurs 20 de silicium combinée avec des couches de dioxyde de silicium. Le taux de décapage différentiel du nitrure de silicium, qui après décapage initial peut servir de masquB in situ, et du dioxyde de silicium, permet l'emploi d'une méthode de fabrication améliorée et la réalisation d'un transistor à grandB vitesse d'un type nouveau. 25 En séparant les couches de métallisation, c'est-à-dire les couches des bandes de contact, par du dioxyde de silicium, et en formant les contacts émetteur et base à des niveaux différents (séparés par du dioxyde de silicium? la bande de contact émetteur peut être rendue plus large et plus épaisse, diminuant ainsi la densité de courant. 30 L'un des objets de la présente invention est donc de fournir un procédé permettant de former des transistors à grande vitesse. Un autre objet de l'invention est de permettre de réaliser un nouveau type de transistor à grande vitesse. Un autre objet de l'invention est de permettre de réaliser un transistor 35 à grande vitesse comportant des bandes métalliques émetteur et base séparées verticalement. Un autre objet de l'invention est de permettre de réaliser des bandes de contact émetteur plus larges et plus épaisses que celles de l'art antérisu; grâce à un procédé nouveau permettant de diminuer la densité de courant dans 40 la bande de contact émetteur et d'éviter les problèmes de décapage du métal 70 45277 3 2076001 posés par les procédés de l'art antérieur. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. 5 Les figures 1 à 9 représentent les étapes successives de la fabrication d'un transistor à grande vitesse conformément à une première réalisation de la présente invention. La figure 10 représente un transistor à grande vitesse fabriqué conformément à une seconde réalisation de la présente invention. 10 La présente description est faite du point de vue de la réalisation d'un transistor à très grande vitesse présentant une densité de courant diminuée dans sa bande de contact émetteur, et également du point de vue de la mise au point d'un procédé de fabrication de contacts métalliques à des transistors à frande vitesse peraettent de diminuer considérablement les problè-15 mes posés par le décapage des différentes couches de métallisation. Le procédé de la présente invention n'entre en effet dans le processus de fabrication d'un transistor à grande vitesse qu'après l'étape de diffusion de la base. Jusqu'à cette étape, n'importe quelle technique bien connue dans l'art antérieur peut être utilisée. L'exposé ci-après se limitera cependant 20 au traitement d'une base de "transistor" en silicium de type P dopé avec 19 3 du boron jusqu'à une concentration de surface d'environ 10 atomes/cm . Ce résultat peut être obtenu à l'aide d'une technique quelconque connue dans l'art antérieur. Après diffusion de la base, la première étape du procédé de la présente 25 invention consiste à faire croître une couche d'oxyde thermique. Une telle couche peut Stre obtenue suivant n'importe quelle méthode connue dans l'art antérieur, une méthode préférée consistant toutefois à exposer la pastille à de l'02 sec à 970°C pendant 4 minutes, puis à de la vapeur à 970°C pendant 7 minutes. L'oxyde thermique résultant a une épaisseur d'environ 700A. 3I^ Immédiatement après la croissance de la couche d'oxyde thermioue, on procède au dépôt d'une couche de nitrure de silicium. Ce dernier doit de préférence Stre formé à l'aide du procédé comportant 1"utilisation de silane et d'ammoniac à haute température. On fait circuler dans un réacteur, dans lequel les pastilles de silicium sont maintenues à une température variant 35 entre 800 et 900°C, un mélange à température ambiante de SiH^ avec un débit de 2cc par minute, de NHg avec un débit de 4ûcc par minute et de N2 avec un débit de 10 litres par minute. Du nitrure de silicium d'une qualité et de propriétés appropriées est déposé à raison d'environ 150Â par minute. En général, l'épaisseur de la codche de nitrure de silicium varie entre de 500 et 40 1000 microns, mais cela ne présente pas un caractère critique. Un exposé 70 45277 4 2076001 relatif au dépSt de nitrure de silicium.a été fait pas Doo, fiichois et Silvsy dans la publication intitulée "Journal of the Electrochemical Society", volume 113, page 1279, 1966. Après les deux étapes ci-dessus, deux procédés différents peuvent être 5, employée pour former les contacts métalliques aux transistors à grande vitesse de la présente invention. Le premier de ces procédés est décrit ci-après à l'aide des figures 1 à 9. . .. La figure 1 représente le transistor de la présente invention après 10 le croissance de l'oxyde thermique et le dépfit du film de nitrure de silicium. La pastille de silicium, la couche d'oxyde thermique et la couche de nitrure de silicium sont respectivement identiées par les chiffres 1, 2 et 3. Les dimensions de la partie de la pastille de silicium représentfie sont de 0,010mm x 0,010mm, l'épaisseur de la couche de silicium est de 0,176mm, et celle 15 de la couche de nitrure de silicium, 800 A. La figure 2 représente une fenêtre 4 de diffusion émetteur percée dans la couche 3 de nitrure de silicium et dans l'oxyde thermique [couche de dioxyde de silicium) 2. Pendant l'étape suivante, représentée par la figure 3, l'émetteur N+5 20 est diffusé dans la base P à travers la fenêtre 4. Des impuretés N+ classiques peuvent être diffusées dans la base P. Dans l'exemple présent, l'impureté N+ était de l'arsenic diffusé dans la base P jusqu'à un niveau de concentration 21 3 de 10 atomes/cm . Une méthode classique de diffusion à haute température (1050°C) en phase vapeur a été utilisée. 25 L'étape suivante de la présente invention, représentée par la figure 4, comporte le percement du trou de contact base et d'autres trous de contact désirés dans la couche 3 de nitrure de silicium et dans la couche 2 de dioxyde de silicium. Ces trous de contact sont référencés 6a, 6b, etc.. . Immédiatement après le percement de ces trous de contact, la première 30 couche métallique 7 est déposée sur toute la surface du transistor, comme l'indique la figure 5. Ce métal 7 est en l'occurrence de l'aluminium, mais tout autre métal classique utilisé dans l'art antérieur pour former des contacts ohmiques à une structure de transistor, tel que du molybdène au-dessus d'une couche mince de platine, aurait également pu Stre utilisé. L'épaisseur de 35 la couche 7 est de 0,4 micron, L'étape suivante de la présente invention est illustrée par la figure 6, et consiste à décaper le métal 7 de la fenêtre 4 de diffusion de l'émetteur. Cela peut Stre effectué à l'aide de n'importe quelle technique de décapage connue dans l'art antérieur, par exemple, puisqu'il s'agit ici d'aluminium, à 40 l9aide d'une solution de décapage composée de 80 parties de HgPO^ concentré, 70 45277 5 2076001 de 4 parties de HNO^ concentré et de 10 parties de H2Q par volume. On laisse le métal demeurer sur le contact base et sur tous les autres contacts formés de la façon précédemment décrite. On procède ensuite au dépSt à basse température d'une couch8 de dioxyde 5 de silicium. Comme le montre la figure 7, la couche 8 de dioxyde de silicium recouvre complètement la couche métallique 7 et, bien entendu, la surface 4 de l'émetteur dont la couche métallique 7 avait été retirée lors de l'étape de décapage précédemment décrite. N'importe quel procédé classique de dépfit de dioxyde de silicium à basse température peut être employé, les températures 10 de dépfit étant de l'ordre de 400 à 450°C. Un procédé acceptable consiste à faire barboter le dioxyde de silicium à raison de 4,5 litres par minute dans du tétraéthylorthosilicate à 25°C et à combiner le courant effluent avec 4,4 litres par minute de N2 à 25°C. On fait ensuite circuler le courant de gaz combiné à travers un réacteur dans lequel les pastilles sont maintenues 15 à une température variant entre 400 et 450°C. Oe 3000 à 5000 A sont ainsi déposés à une vitesse d'environ 150Â par minute. Un autre procédé consiste à utiliser un courant de gaz composé de 30 litres par minute de H2, de 32,5 cc par minute de 02 et de 0,5cc par minute de SiH^. La vitesse de dépfit est d'environ 100 A par minute. 20 l'étape suivante (figure 8) consiste à percer une fenêtre émetteur dans la couche de dioxyde de silicium 8 déposée à basse température. Le diamètre de la fenêtre 9 émetteur doit dépasser la largeur da bande de contact émetteur, la surface de laquelle correspond à celle du trou initial 4, parce que la couche 3 de nitrure de silicium ne sera pas attaquée lors du décapage de 25 l'oxyde. Le diamètre de la fenêtre 9 est représenté par X et la largeur de la bande de l'émetteur par Y. C'est cette étape qui constitue l'un des aspects les plus originaux da présent procédé. Alors que les procédés connus dans l'art antérieur nécessitent un contrôle très strict des techniques de photodécapage et de photorésist, le nitrure de silicium est utilisé, pendant le 30 processus de formation du transistor à grande vitesse de la présente invention, en tant que résist in situ. Cela signifie que, dans la présente réalisation, le nitrure de silicium ne sera pas attaqué par le décapant utilisé pour percer la fenêtre émetteur dans la couche 8 de dioxyde de silicium déposée à basse température. Le nitru-35 re de silicium sert ainsi à protéger la surface de la bande de contact émetteur constituée par les couches 2 et 3 et à empêcher son élargissement lors de la formation de la fenêtre émetteur. La bande de contact 7 base ne permet pas simplement la formation d'une bande de contact émetteur de plus grandes dimensions» elle est également "séparée" de la bande de contact émetteur 40 par les parties 8a et 8b de la couche de dioxyde de silicium déposée à basse 70 45277 a 2076001 température. De la sorte, le contact métallique émetteur définitif qui est déposé dans la fenÊtre 9 émetteur comme indiqué sur la figure 9 est isolé par une couche de nitrure de silicium résistant au décapage et par uns couche de 5 dioxyde de silicium, cependant que la configuration verticale, du contact émetteur a été facilement formée en décapant une couche de dioxyde de silicium déposée à basse température. Un isolement a ainsi été obtenu, et pourtant un contrôle précis du contact émetteur a été réalisé. Les étapes finales, qui ne font pas partie de la présente invention, 10 consistent essentiellement à déposer et à décaper le métal pour les contacts d'interconnexion et émetteur, stc... . La structure définitive d'un transistor formé suivant ce premier procédé est représentée sur la figure 9. Comme on peut le voir, le premier niveau métallique formant le contact base, est séparé du second niveau métallique formant ls contact émetteur, par une couche 15 de dioxyde de silicium déposée à basse température et par une couche de nitrure de silicium. La première couche de métal est .évidemment séparée de la couchs de dioxyde de silicium initialement obtenue par croissance st de la base du transistor par la couche de nitrure de silicium qui rend passible ls précédé simplifié de la présente invention. 20 Etant donné que les bandes métalliques émetteur et base se trouvent à des niveaux différents du fait de la séparation obtenue à l'aide du dioxyde de silicium et du nitrure de silicium, la bande dB contact émetteur peut Être rendue plus large et plus épaisse que dans le cas des procédés connus dans l'art antérieur. La densité de courant sBra donc diminuée et, comme 25 expliqué ci-dessus, les problèmes afférents au décapage du métal seront considérablement simplifiés grâce à l'utilisation du taux de décapage différentiel du nitrure de silicium et du dioxyde de silicium. le second des deux procédés qui, comme précédemment mentionné, peuvent Stre utilisés pour former les contacts métalliques au x transistors à grande 30 vitesse de la présente invention, est succintement décrit ci-après. Dans l'exemple choisi, seule la structure définitive du transistor obtenu suivant ce second procédé est représentée par la figure 10. Fondamentalement, les mêmes techniques que précédemment sont utilisées, mais les étapes sont quelque peu différentes. 35 La première étape consiste naturellement à déposer la couche d'oxyde thermique (dioxyde de silicium) par croissance sur le substrat de la pastilles L'étape suivante consiste à déposer du nitrure de silicium sur la codche d'oxyde thermique initialement déposée. Pendant la troisième étape, toutefois, au lieu de ne percer qu'une fenêtre 40 de diffusion de l'émetteur dans les couches de nitrure de silicium et de 70 45277 7 2076001 dioxyde dB silicium, tous les trous de contact dans la fenêtre de diffusion de l'émetteur sont percés dans la couche de nitrure de silicium. L'étape suivante consiste à déposer une couche de dioxyde de silicium. Une fenêtre de diffusion de l'émetteur est ensuite percée dans cette 5 couche de dioxyde ds silicium et l'on procède à la diffusion de l'émetteur. Le trou de contact base et tous les autres trous de contact» par exemple le trou de contact collecteur, sont alors percés dans la couche de dioxyde de silicium qui vient d'être déposée. Bien entendu, ces trous de contact ont déjà été percés dans la couche de nitrure de silicium lors de l'étape 10 3 ci-dessus. A partir de ce point, on suit les étapes du premier procédé à partir du dépfit initial de la couche métallique 7. La structure définitive du transistor réalisé grâce à ce procédé est représentée ppar la figure 10. 15 L'un ou l'autre des procédés décrits ci-dessus permst de réaliser des dispositifs à grande vitesse ayant des émetteurs de 1 micron ou moins, en se conformant au principe fondamental dB l'emploi de nitrure de silicium en tant que résist in situ pour obtenir des contacts ohmiques à des transistors à grande vitesse en utilisant une structure de métallisation à couches multiples 20 dans laquelle les contacts métalliques énetteur et base se chevauchent à deux niveaux dans la surface active du dispositif. Bien que l'on ait décric dans ce qui précède et représenté sur les dessins, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut 25 y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 70 45277 6 2076001 REVENDICATIONS . - 1.- Méthode de réalisation de contacts ohmiques métalliques aux régions émetteur et base d'un semiconducteur, caractérisée en ce qu'elle consiste à : 5 déposer une couche de dioxyde de silicium sur ledit semiconducteur} déposer une couche de nitrure de silicium sur ledit dioxyde de siliciumj former un contact métallique base à ladite région base passant au travers desdites couches de dioxyde de silicium et de nitrure de siliciumj déposer à basse température une couche de dioxyde de silicium sur lesdits -IQ contacts métalliques basej décaper ladite couche de dioxyde de silicium déposée à basse température sur la quasi totalité de la surface de ladite région émetteur base avec un décapant qui n'affecte pas substantiellement ladite couche de nitrure de silicium, cette dernière servant de résist in situ et ledit décapage étant 15 effectué de manière à laisser ledit contact métallique base recouvert dans sa partie supérieure par ledit dioxyde de silicium déposé à base température; déposer un contact métallique émetteur au travers de la région décapée sur ladite région émetteur-base, ledit contact métallique émetteur étant complètement séparé dudit contact métalliqus base par ladite couche de dioxyde 20 de silicium déposée à basse température. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche de dioxyde de silicium déposée à basse température est décapée au-dessus de ladite région émetteur-base sur une surface substantiellement plus importante que ladite région émetteur-base. ^ 3.- Transistor à grande vitesse ayant un substrat semiconducteur comprenant des régions base, émetteur et collecteur, et caractérisé en ce qu'il comprends une couche de dioxyde de silicium sur ledit substrat; une couche de nitrure de silicium sur ladite couch8 de dioxyde de silicium» un contact métallique base à ladite région base passant à travers lesdites 30 couches de dioxyde de silicium et de nitrure de silicium» un contact métallique émetteur à ladite région émetteur passant à travers lesdites couches de dioxyde de silicium et de nitrure de silicium, ledit contact métallique de base et ledit contact métallique émetteur étant séparés par une couche de dioxyde de silicium déposée à basse température, et ledit 35 contact métallique émetteur passant en outre au travers de ladite couche de dioxyde de silicium déposée à basse température pour entrer en contact avec ladite région émetteur. 70 45277 9 2076001 4.- Transistor à grande vitesse selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une couche supplémentaire de dioxyde de silicium sur la surface supérieure de ladite couche de nitrure de silicium, ledit contact métallique émetteur et ledit contact métallique base passant au travers de ladite couche supplémentaire de dioxyde de silicium sur la surface supérieure de ladite couche de nitrure de silicium.