Brevet FR2067025A1 — publié le 19710813

Cette invention a pour objet un procédé pour fabriquer des dispositifs discrets à seni i-conducteurs ou des circuits intégrés du type MOS (métal - oxide - silicium), et les dispositifs obtenus oar fa mise en oeuvre de ce procédé. L'invention se propose de fournir un procédé plus rapide et moins coûteux que les procédés connus, et avec un meilleur rendement. Les procédés appliqués jusqu'ici pour fabriquer fesdits dispositifs comportent presque tous la succession d'opérations 0 survante: -a) une oremière oxydation d'une petite lame de silicium; -b) mise en place d'un premier masque (de la source et du drain); -c) pré-dépôt et diffusion d'un moyen dopant; -d) une deuxième oxydation, très longue, entre 900 et I000°C; 5 -e) mise en place d'un deuxième masque, de la "porte" (gâte) et des contacts, par laquelle on effectue une première ouverture des contacts sur les zones diffuses; -f) oxydation du gâte; -g) mise en place d'un troisième masque, par laquelle on ouvre 0 les contacts sur les zones où s'est exercée la diffusion; -h) dépôt d'aluminium; -i) mise en place d'un quatrième masque, après laquelle l'aluminium reste sort sur le gâte soit sur les contacts; -l) formation de l'alliage aluminium-silicium. 5 Ces procédés connus comportent quelques désavantages. En effet, pour obtenir des résultats bien contrôlés, six desdites opérations doivent être effectuées à des températures élevées: cela comporte l'emploi d'un nombre élevé de fours, même si quelquefois deux opérations semblables exigeant la même 0 temoérature sont effectuées dans un même four. En outre le fait que de nombreuses opérations demandent un contrôle rigoureux rend pius difficile la conduite de l'opération toute entière. Enfin la nécessité d'effectuer quatre mises en place de masques diminue le rendement total du procédé, car chaque mise en place BAD ORIGINAL 70 34794 2 2067025 de masque comporte un certain pourcentage de rebuts, de sorte qu'à la fin du procédé les rebuts totaux sont plutôt élevés. Pour obvier à ces inconvénients, le procédé selon l'invention oropose une succession d'opérations différente, à savoir: -a) oxydation du gâte ou de l'électrode de contrôle, effectuée thermiquement; -b) dépôt d'une couche de nitrure de silicium; -c) dépôt d'oxyde de silicium; -d) deuxième dépôt de nitrure de silicium, identique au premier; -e) deuxième dépôt d'oxyde de silicium; -f) mise en place d'un masque des zones de la source et du drain (premier masque); -g) attaque des couches d'oxyde et de nitrure en correspondance des ouvertures de la source et du drain; -h) pré-dépôt et diffusion du moyen dopant; -i) deuxième oxydation thermique; -l) autre dépôt de nitrure et d'oxyde; -m) mise en place d'un masque du gâte et des contacts (deuxième masque Y; é -n) application d'une couche d'aluminium; -o) exécution du masque métallique (troisième masque); -p) réalisation de l'alliage aluminium - silicium. Comme on le voit, dans le procédé selon l'invention il n'y a plus que trois masques, et par conséquent le cycle est simplifié et les rebuts sont inférieurs. En outre il n'y a plus que trois opérations qui doivent être effectuées à température élevée, c'est-à-dire les deux oxydations therniiques et le pré-dépôt e la diffusion du moyen dopant, ce qui comporte une diminution du nombre de fours à employer. D'autres avantages sont donnés par la présence des couches de nitrure de silicium, qui permettent de.contrôler l'épaisseur de l'oxydation du gâte après le deuxième masque, et servent aussi comme protection contre les agents extérieurs. Les dispositifs obtenus en appliquant l'invention sont caractérisés BAD ORIGINAL 70 3k79k 3 2067025 en ce qu'ils présentent du nitrure sur l'oxyde épais, au même niveau que le nitrure sur le gâte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressort iront d'une description plus détaillée du procédé selon 5 l'invention, faite en référence au dessin annexé, dans lequel: - la fig. I représente la lame de silicium après la phase -a) de I'opérât i on ; - la fig. 2 représente la lame après la phase -b); - la fig. 3 représente la laine après la phase -c); 10 - la fig. 4 montre la lame après les phases -d), -e); - la fig. 5 représente la lame après la phase -f); - la fig. 6 représente la lame après la phase -g); - la fig. 7 représente la lame après les ph ases -h), -i); - la fig. 8 montre la lame après la phase -l); 15 - la f ig. 9 montre la lame après la phase -m); - la fig. 10 est une vue en coupe d'un dispositif fini; - la fig. Il est une vue en plan du même dispositif. Sur la fig. I on voit la lame I de silicium, qui forme le substrat pour toutes les opérations du procédé, recouverte par 20 une couche 2 d'oxyde de silicium déposée thermiquement (oxyde de gâte). Cette couche forme ce qu'on appelle l'oxyde mince. L'indication N se référé au type de moyen dopant employé dans l'exemple de réalisation décrit par la suite. 25 La fig. 2 montre la lame de la fig. I après qu'on y ait déposé une couche 3 de nitrure de silicium. La fig. 3 montre la lame de la fig. 2 après le dépôt de la couche A d'oxyde de silicium (oxyde déposé pyroIitiquement ou vapox). 30 La fig. 4 montre la lame de la fig. 3 après qu'on y ait dépo sé une deuxième couche de nitrure de silicium 5 et de vapox 6. Sur la fig. 5 on voit qu'une partie de la couche de vapox 6 a été enlevée par suite de la mise en place du premier masque, de sorte que la lame présente deux cavités 7 lesquelles indiquent les zones où seront realisées les fenêtres de diffusion. En ces 70 3k79k 4 2067025 endroits la couche 5 de nitrure est découverte. Sur la fig. 6 on voit que, en correspondance des ouvertures 7, on a enlevé aussi les deux couches 5 et 3 de nitrure, la couche 4 de vapox et la couche 2 d'oxyde thermique; en ces endroits la 5 lame de silicium I est découverte. La fig. 7 montre les deux zones 8 de la lame I où le moyen dopant a diffusé; ces zones se trouvent sous les deux cavités 7. En outre on voit aussi sur la figure la deuxième couche d'oxyde thermique 9 (et 9 a) développée sur la lame de fig. 6 (la couche 10 9a s'est développée pendant la diffusion). La fig. 8 montre deux autres couches, 10 et II, la première de nitrure et la deuxième de vapox, déposées sur la lame dopée et oxydée de la fig. 7. La fig. 9 montre la lame après la mise en place du deuxième 15 masque. On y voit qu'une partie des cavités 7 a été remplie par la couche d'oxyde thermique 9 et la couche de nitrure 10, tandis que dans la partie restante on a mis en vue les zones 8 où le moyen dopant a diffusé. On voit aussi que la couche II de vapox a été enlevée, de sorte que la couche 10 de nitrure est en vue. 20 En outre, la saiJJie centrale laissée sur la lame par les phases du procédé précédentes a été éliminée presque toute entière en réalisant une cavité 12, délimitée par les couches 9 et 10, qui parvient jusqu'à la couche 3 de nitrure. La fig. 10 montre la coupe d'un dispositif obtenu en appliquant 25 le procédé selon l'invention. On y voit, placés symétriquement à droite et à gauche de la cavité 12, deux gradins 13 et 13', les cavités 7 et un autre gradin 12'. Le gradin 13 est constitué par toutes les couches d'oxyde et de nitrure jusqu'à la couche de nitrure 10; le gradin 13'/ comme on l'a déjà dit, est constitué 30 par les couches 9 et 10, respectivement d'oxyde thermique et de nitrure. A l'intérieur des gradins 13 les couches 2 à 6 finissent en correspondance du point où on avait ouvert d'abord les cavités 7. Les gradins 12' qui délimitent la cavité centrale 12 ont la même structure que les gradins 13'» Le tout est ensuite BAD ORIGINAL 70 34794 5 2067025 recouvert par l'aluminium, sauf en deux zones, une pour chaque gradin 12', où le nitrure de silicium reste découvert. La fig. Il est une vue en plan du dispositif fini. On peut noter, au centre de la figure, la zone où se trouve l'oxyde 5 de gâte, représentée par des hachures, à côté de cette zone on voit tes deux zones où s'est exercée la diffusion; entre ces zones et la zone de gâte s'ouvrent les contacts, qui sont interchangeables. Pour obtenir le dispositif fini représenté aux figures 10 et 10 II on procède de la façon suivante: - la première phase de l'opération consiste à oxyder .le gâte. A cet effet on traite la lame de silicium I pendant quelque temps d'abord dans une atmosphère d'0o puis dans une atmosphère de N i* À à une température de I100°C environ; on obtient la couche O 15 d'oxyde 2 dont l'épaisseur est à peu près 850 A (voir fig. f). Après cette première phase, on fait déposer sur l'oxyde de gâte 2 une couche 3 de nitrure de silicium (Si N.) d'une épaisseur Q O 4 variant entre 1000 et 2000 A. Par cette opération on assure une épaisseur contrôlée sur le gâte également après les opérations 20 suivantes. Dans une forme préférée de réalisation cette opération est effectuée dans des réacteurs épitaxiaux en faisant réagir du s i 1 ane (Si H.) avec de l'ammoniac à une température d'ervviron 4 800 - 1000°C. Dans une deuxième forme de réalisation le dépôt 25 de I a couche de nitrure peut être obtenu en faisant réagir du SiCl^ avec de l'ammoniac toujours à une température d'environ 800 - iooo°c. On fait déposer sur le nitrure de l'oxyde de silicium jusqu'à obtenir une couche 4 d'oxyde dont l'épaisseur est de l'ordre 30 de I - 2 micron. A cet effet on fait réagir du silane, mélangé avec de l'azote ou de l'argon suivant un pourcentage de 3 à 20 /i, avec de l'oxygène. La température de cette réaction est notablement inférieure à celle où la première oxydation se produisait, étant de 70 3h79k 6 2067025 l'ordre de 300 - 600°C. On peut obtenir un dépôt de I'oxyde même par décomposition pyroiitique d'un alcoolsilane à une température d'environ 750°C. L'épaisseur élevée de la couche 4 de vapox purraît provoquer 5 des fractures si le dépôt est obtenu par une opération unique. Il peut être alors convenable de déposer l'oxyde en deux temps séparés par une phase de frittage. On procède ensuite au dépôt d'une deuxième couche de nitrure de silicium 5 et de vapox 6r par les mêmes méthodes que celles 10 déjà employées précédemment. La couche de nitrure est identique à la première en ce qui concerne l'épaisseur, tandis que la couche d'oxyde a une épaisseur réduite, d'à peu près 1/2 micron. La couche 6 d'oxyde sert à masquer le nitrure 5 au-dessous (voir fig. 4). 15 Au moyen du premier masque, rapporté par les procédés nor maux de photo-usinage, le dispositif commence à prendre sa forme. Par cette opération on met en vue la couche 5 de nitrure en correspondance des portions 7 où les fenêtres de diffusion, c'est-à-dire la source et le drain, seront réalisées (voir fig. 5). 20 En correspondance des ouvertures 7 on attaque aIternativement la couche 5 de nitrure, ia couche 4 de vapox, la couche 3 de nitrure et la couche 2 d'oxyde de gâte. La première couche de nitrure est attaquée par de l'acide phosphorique chaud (150°C), tandis que la couche 4 de vapox au-dessous est attaquée par une solution 25 contenant de l'acide f1uorhydrique à température de l'ambiance. La solution de HF est généralement tamponnée de façon à garantir une vitesse constante d'attaque. Les mêmes opérations sont répétées pour la couciie 3 de nitrure et la couche 2 d'oxyde thermique, La figure 6 montre la lame après ces opérations: 30 comme on le voit, le silicium a été découvert en correspondance des ouvertures 7 des contacts. On poursuit ensuite par le pré-dépôt et la diffusion du moyen dopant. Ce moyen sera un donneur si l'on veut obtenir un dispositif à canaux de type N, tandis qu'il sera un accepteur si l'on 70 34794 7 2067025 veut des dispositifs de type P. Dans le premier cas on pourrait employer comme donneur le phosphore, tandis qu'un accepteur pourrait être le bore» Selon une forme de réalisation préférée, pour obtenir des canaux de:type N on part d'une lame de sili-5 • cium de type P, et le donneur employé pourrait être P0C1 O qu'on fait diffuser à une température de 900 -1I00°C,-tandis que dans le cas contraire on part de silicium de type N et l'accepteur peut ; être constitué par ^Br^ qui est diffusé à. 1000 -II00°C. Cette diffusion peut se produire d'abord dans un-e atmo:-10 sphère inerte, puis dans une atmosphère oxydante, puis de nouveau dans une atmosphère inerte. La fig. 7 se' référé à ce. deuxième cas. Après que la diffusion du dopant ait eu lieu, on effectue une deuxième oxydation thermique: celle-ci a lieu à une tempéra-15 ture de 900 - 1000°C et a pour résultat d'ajouter une autre couche d'oxyde de silicium 9 dont l'épaisseur est d'environ l micron (voir fig. 7). Avant de mettre en place le deuxième masque on dépose encore une couche de nitrure d'épaisseur d'environ I micron et une d'oxy-20 de ayant une épaisseur d'environ 1/2 micron. Par le deuxième masque, du gâte et des contacts, on met en vue le nitrure de silicium 3 en correspondance du gâte et le silicium dopé en correspondance des ouvertures 7 des contacts, tandis qu'est aussi enlevée la couche II d'oxyde. On dépose 25 ensuite de l'aluminium de I - 2 microns d'épaisseur sur la lame ainsi traitée. Cet a 1uminium sera éIiminé des parties où il ne sert pas par le troisième masque (masque métallique). La dernière opération consiste en la formation de l'alliage aluminium -silicium, à une température de 500 - 550°C. Dans cette phase 30 il y a une véritable copénétration entre l'aluminium et le silicium, tandis qu'une soudure limitée à quelques points se produit entre le métal et l'oxyde. Les dispositifs obtenus au moyen du procédé selon l'invention sont caractérisés en ce qu'ils présentent du nitrure sur l'oxyde 70 34794 s 2067025 épais, au même niveau que le nitrure sur le gâte. Au cours de la description du procédé on n'a pas mentionné les opérations de lavage à effectuer avant plusieurs opérations: ces lavages, dans le procédé décrit, sont très simplifiés 5 par rapport aux procédés connus, et se réduisent pratiquement à des simples immersions' dans de l'acide fIuorhydrique dilué. 70.34794 9 2067025 __R_E_V_E_N_D_i_C_A_I_X_0_N_S__ I.- Procédé de fabrications de dispositifs éIectroniques ou de circuits intégrés du type MOS, caractérisé en ce qu'à partir d'une latrie de silicium on effectue la succession d'opérations 5 suivante: -a) oxydation du gâte, effectuée thermiquement; -b) dépôt de nitrure de silicium; -c) dépôt d'oxyde de silicium; -d) deuxième dépôt de nitrure de silicium; 10 -e) deuxième dépôt d'oxyde de silicium; -f) mise en place d'un masque des fenêtres de diffusion; -g) attaque chimique des couches d'oxyde et nitrure de silicium en correspondance des ouvertures des fenêtres de diffusion ; 15 -h) pré-dépôt et diffusion d'un moyen dopant; -i) Jeux i ème oxydât i on therm i que; -l) troisième dépôt de nitrure et d'oxyde de silicium; -ru) mise en place d'un masque du gâte et des contacts; -n) application de L'aluminium; 20 -o) exécution du masque métallique; -p) réalisation de l'alliage aluminium-silicium. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt des couches de nitrure de silicium est obtenu en faisant réagir, dans des réacteurs épitaxiaux, du silane avec 25 de l'ammoniac. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt des couches de nitrure de silicium est obtenu en faisant réagir du tétrachlorure de silicium avec de l'ammoniac. 4«- Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en 30 ce que lesdites réactions ont lieu à des teraperatures de I'ordre de 800 - I000°C. 5.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt de l'oxyde de silicium est obtenu en faisant réagir du silane, mélangé avec de l'azote ou de l'argon 70 34794 ÏO 2067025 suivant un pourcentage de 3 à 20 avec de l'oxygène, à la température de 300 - 600°C. 6.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt de la première couche d'oxyde de 5 silicium est effectué en deux temps, séparés par une phase de recuit. 7.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, .caractérisé en ce que lfattaque chimique des couches de nitrure de silicium est effectuée au moyen d'acide phosphorique chaud. 10 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la température de l'acide phosphorique est de l'ordre de 150°C. 9.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'attaque chimique des couches d'oxyde de silicium est effectuée au moyen d'acide fluorhydrique froid, ou au moyen 15 d'une solution dudit acide. 10.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en oe que la lame de silicium est du type N et le moyen dopant est un accepteur. 11.- Procédé selon une des revendications précédentes, ca- 20 ractérisé en ce aue ledit accepteur est 3Br-,, que l'on fait diffu-. - 3 ser à des températures de l'ordre de 1000 - 1100°C. 12.- Procédé selon l^une des revendications 1 à S, caractérisé en ce aue la lame de silicium est du type P et le moyen dopant est un donneur. 25 13»- Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le donneur est POCI^, que l'on fait diffuser à des températures de l'ordre de 900 - 1100°C. 14.- Dispositif obtenu par mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il pré- 30 sente du nitrure de silicium sur l'oxyde épais, au même niveau que le nitrure sur le gâte. BAP ORIGINAL