Brevet FR2090286A1 — publié le 19720114

L'invention concerne un procédé pour fabriquer un transistor planar comportant une zone de base et une zone d'émetteur en forme de cuvette, lesquelles sont produites par une diffusion locale d'activateurs correspondants à l'aide d'un masque de diffusion, constitué par une couche isolante inorganique à la surface d'un cristal semiconducteur La technique planar, exécutée en utilisant des masques de diffusion ainsi que la construction et les caractoris- tiques électriaues des composants à semiconducteurs obtenus grâce à & lle-ci, en particulier des transistors, peuvent être supposées connues On utilise surtout des couche de SiO2 et de Si3N4 comme masques de diffusion, ces couches recouvrant la-surface semiconductrice, exception faite des zones prévues pour la diffusion. Celles-ci n'empêchent pas cependant dans la même mesure les substances dopantes de pénétrer dans le cristal semiconducteur sous-jacent. Ainsi P, As, Sb et B par exemple ne-peuvent pas quantitativement pénétrer dans un cristal sous-jacent de Si et Ge même pour des températures situées près du point de fusion de ces semiconducteurs et même pour une durée de diffusion de plusieurs heures tandis que Ga, Zn, Cd et Li par exemple pénètrent rapidement, à travers la même couche de SiO2,dans le cristal semiconducteur sous-jacent. D'autre part une couche de protection en Si3N4 assure dans de 34 nombreux cas une protection suffisante sous maints rapports contre une pénétration de substances dopantes métalliques ou aussi contre d'autres substances dopantes L'action directe d'une telle couche isolante sur le semiconducteur sous-jacent est cependant moins favorable du point de vue électrique que celle d'une couche de SiO2 C'est pourquoi on a proposé des couches de protection associées de telle sorte que la partie de la couche de protection qui touche le matériau semiconducteur est constituée par du SiO2 tandis que la couche de masquage proprement dite, constituée par du Si3N4, est déposée sur cette couche en Si02. Toutefois la surface semiconductrice est alors à nu dans les fenêtres de diffusion. La fabrication de ces couches de protection et de masquage peut être supposée connue. Ceci est aussi valable pour la réalisation des fenêtres de diffusion dans la couche de masquage, qui s'effectue en général en utilisant une technique de gravure à la laque photosensible. Les jonctions p - n, en forme de cuvettes, obtenues grâce à la technique planar, sont, comme on le saint, à l'endroit de la jonction fortement incurvées depuis la zone de leur partie centrale, parallèle à la surface du semiconducteur jus qutà la partie marginale approximativement perpendiculaire à ladite partie et ainsi sensiblement moins resistdntes à la tension que les parties planes De plus il est souhaitable que les activateurs, utilisés pour la zone de base et pour la zone d'émetteur, s'influencent de telle manière que la jonction collecteur-base, dans le cas de largeurs de base prises en considération pour les transistors haute fréquence, en particulier de moins de 1 sonten saillie par rapport au collecteur. Ceci peut être obtenu, dans le cas de l'utilisation du silicium comme materiau semiconducteur en utilisant As ou Sb pour le dopage de l'émetteur et Ga pour le dopage de base. Mais on doit alors par suite de la diffusion rapide de Ga, diffuser l'émetteur avjt la réalisation de la zone de base. Par conséquent on a besoin d'abord seulement d'une petite fenêtre de diffusion de l'émetteur à l'intérieur du domaine de la zone de base et ensuite seulement d'une fenêtre de diffusion plus grande pour la réalisation de la zone de base. Ceci signifie que la fenêtre d'émetteur a disparu sans laisser de traces après la fabrication de la zone de base. Mais il est justement souhaitable dans le cas de transistors haute fréquence, dans le but d'établir le contact de l'émetteur, ce qui est réalisé après la réalisation de la zone d'émetteur et de la zone de base, de ne pas recouvrir seulement la partie de la surface de la zone d'émetteur à travers laquelle l'activateur dopant l'émetteur a été auparavant diffusé à l'intérieur du cristal semiconducteur. Le but de la présente invention est donc de résou- dre ce problème. On y parvient conformément à l'invention lorsque l'activateur dopant la zone de base est incorporé par diffusion dans le cristal semiconducteur, à travers une couche isolante recouvrant la surface semiconductrice dans la fenêtre de diffusion du masque proprement dit prévu pour la réalisation de la zone de baste et que l'activateur dopant l'émetteur est incorporé de façon localisée par diffusion dans le cristal semi conducteur exclusivement à travers une fenêtre de diffusion ménagée dans cette couche isolante. I1 est alors possible sans aucune difficulté d'avoir exactement à sa disposition pour l'établissement du contact d'émetteur la fenêtre de diffusion, dans tous les cas, même après la réalisation de la zone d'émetteur et de la zone de base propreInent dites, en utilisant un activateur diffusant rapidement pour la base et un activateur diffusant lentement pour l'émetteur. La couche isolante, recouvrant le semiconducteur dans la fenêtre de diffusion de la base et laissant passer l'activateur de la zone de base mais ne laissant pas passer par contre l'activateur de l'émetteur, ne doit pas servir si multanement de source de dopage Elle est donc de préférence dépourvue de substance dopante. L'invention est utilisée de préférence pour la fabrication de transistors planar n-p-n au silicium et celà en utilisant du gallium comme substance dopante pour la zone d'émetteur. La description détaillée ci-après de l'invention est donnée dans le cas ci-dessus en se référant au dessin. I1 existe cependant, comme cela sera encore exposé, d'autres pos sibilits d'application de l'invention. Selon un mode d'exécution préféré du procédé conforme à l'invention, on dépose la couche isolante laissant passer l'activateur de la zone de base, tout d'abord d'une façon continue sur la surface semiconductrice et d'autre part on la recouvre par une deuxième couche isolante ne laissant pas passer cet activateur. Au moyen d'une corrosion sélective, en utilisant un procédé photolithographique on réalise alors par corrosion la fenêtre de diffusion dans la couche supérieure, cette fenêtre étant nécessaire à la création de la zone. de base, jusqu'à faire disparaitre complètement la deuxième couche isolante à l'intérieur de la fenêtre de diffusion. La première couche isolante (inférieure) doit au contraire être conservee au moins de manière à recouvrir partout la surface semiconductrice dans la fenêtre de diffusion de la base. Comme matériau pour la première couche isolante (par conséquent la couche isolante recouvrant le semiconducteur à l'intérieur de la fenêtre de base) on utilise en particulier du SiO2, et comme couche de masquage proprement dite pour la diffusion de la zone -d'é- metteur, on utilise une couche de Si3N40 Si3N4 peut être dist sous, à l'inverse de Si02, à l'aide d'acide phosphorique. C'est pourquoi l'on peut sans difficultés ménager dans une couche de Si3N4, déposée sur une couche de SiO2, une fenêtre de diffusion allant jusqu'à la couche sous-jacente de Si02 sans attaquer cependant cette dernière couche.On règle de façon avantageuse l'épaisseur de la couche de SiO2 à une valeur comprise entre 0,1 . et 1 Li , et celle de la couche de Si3N4 à une valeur comprise entre 0,05 v et 1 Etant donné que la couche de SiO laisse passer l'ac 2 tivateur de la zone de base, l'activateur se répand, lorsqu'il est introduit selon un procédé conforme à l'invention, l'activateur présente une vitesse de diffusion dont la composante est dirigée parallèlement à la surface semiconductrice de sorte que l'activateur est incorporé obliquement par diffusion dans le semiconducteur en bordure de la fenêtre de diffusion, contrairement à la technique planar normale.Par suite la jonction p-n base-collecteur est à vrai dire parallèle à la surface semiconductrice dans sa partie médiane mais d'autre part ses côtés débouchent d'une façon nettement oblique par rapport à cette surface et non plus pratiquement perpendiculairement comme cela est le cas en technique planar. C'est pourquoi l'angle entre les cotés et la partie centrale plane de cette jonction p-n est très ouvert, ou en d'autres termes la courbure de la jonction p-n est ainsi diminuée Si d'autre part la couche de Si02 n'est pas disposée sous la couche de masquage en Si3N4, ce qui est tout à fait possible, la jonction p-n qui en resulte aura comme cela est usuel dans le cas de la technique planar des cotés en pente raide par rapport à la surface semiconductrice.Mais il est alors aussi avantageux pour des raisons de stabilisation pour les dispositifs à semiconducteurs terminés que toute la surface de la zone de base ultérieurement formée soit tout d'abord, lors de l'introduction de la substance dopante de la base, recouverte par une couche de Spi02. L'utilisation de l'invention est par conse- quent intéressante même dans ce cas4 A titre d'exemple on a décrit et illustré au dessin annexe un mode d'exécution du procédé suivant l'invention. Les figures 1 et 2 illustrent la fabrication d'un transistor n-p-n et d'une diode p-n suivant le procédé conforme à l'invention. On part d'un monocristal en silicium du type n en forme de pastille, qui formera par la suite la zone de collecteur et qui présente par exemple une épaisseur de 0,25 mm et une résistance spécifique del ohm.cm.Dans ce cas il n'y a aucune modification particulière par rapport aux proportions usuelles données pour la technique planar.En particulier le dopage du cristal de base est celui qui est usuel pour le collecteur d'un transistor planar0 Une couche en SiO2 est maintenant réalisée en premier lieu å la surface du monocristal en silicium 1 à conduction de type n, laquelle recouvre toute la surface et présente les épaisseurs usuelles de 0,1 ffi à 1 par exemple afin d'ê- tre utilisée comme masque de diffusion et comme couche de protection. Cette couche peut être réalisée par oxydation thermique de la surface en silicium ou par dépôt pyrolythique à partir d'un gaz réactionnel choisi de façon appropriée. Une teneur eventuelle de la couche 2 en substance dopante est dans tous les cas assez faible pour que toute modification notable de la caractéristique de dopage dans le matériau de base du cristal 1 soit impossible. La couche de dioxyde de silicium 2 est de son côté recouverte par une couche 3 en nitrure de silicium ayant une épaisseur d'environ 0,05 à 1 v . On chauffera par exemple dans ce but le dispositif dans un mélange de SiS4 et NH3 dilué 3 avec un gaz inerte à une température de 10000 C par exemple. Dans cette couche on realise à présent par corrosion une fenê- tre 4, servant à la diffusion de l'activateur de la base en utilisant par exemple de l'acide phosphorique comme agent corrosif. A cet effet on peut par exemple utiliser un masque de protection contre la corrosion, constitué à partir d'un autre masque de protection contre la corrosion en Si02 et recouvrant la couche 3, cet autre masque étant de son côté réalisé à l'aide d'une technique de corrosion à la laque photosensible. Après la fabrication de la fenêtre 4 dans la couche de nitrure de silicium on réalise par corrosion à l'intérieur de cette fenêtre une fenêtre 5 plus petite dans la couche 3 en SiO2, la fenêtre 5 servant à la fabrication de l'émetteur. Pour cela on utilise de façon appropriée un masque de protection contre la corrosion à la laque photosensible et de l'acide fluorhydrique dilué comme agent corrosif Le dispositif est chauffé à présent dans un mélange de vapeur de gallium et de vapeur d'arsenic ou d'antimoine de sorte que des atomes de Ga et des atomes de As ou de Sb pénètrent dans le corps en silicium. La fenêtre 4 et la fenêtre 5 sont respectivement utilisées pour l'incorporation par diffusion des atomes de Ga et des atomes de As ou de Sb. Bien que le processus de diffusion débute au même moment pour les deux activateurs, le front des atomes de Ga, diffusant plus rapidement, devance celui des atomes de As ou Sb, étant donné que la vitesse de diffusion de Ga est sensiblement supérieure à celle des deux autres activateurs. Pour des températures de diffusion comprises entre 1000 et 12500 C on obtient pour Ga une vitesse de diffusion environ 10 fois plus grande dans le silicium. En utilisant As comme substance dopante on peut mettre à profit le fait que la solubilité de As dans le silicium est supérieure à celle du gallium. Par suite on peut créer d'emblée une concentration en activateur, nécessaire pour l'émetteur, qui est plus élevée que celle de la base sans que des mesures spéciales soient nécessaires dans ce but. Ainsi par exemple pour une température de 11000 C, la limite de solubilité dans Si est d'environ 2. 1021 cm 3 pour As, 4,5. 1019 cm 3 pour Sb et 3,5. 1019 cm pour Ga. Dans le cas contraire on doit régler les différentes concentrations superficielles par l'intermédiaire de la pression de vapeur de la substance dopante dans la phase gazeuse. On cherche à obtenir la structure de transistor représentée sur la figure 1, qui comporte une zone de base 6 à conduction de type p, dopée par Ga et une zone d'émetteur 7 à conduction de type n dopée par As ou Sb celle-ci étant réalisée sans difficultés de la façon expliquée ci-dessus. Au cas où l'on ne choisit pas des profondeurs de pénétration trop grandes, la jonction p-n entre la base et le collecteur a alors, comme ceci est clairement mis en évidence sur la figure 1, le profil en coupe très précieux pour les transistors HF, décrit ci-après : la zone de base présente donc des parties marginales, nettement en saillie par rapport au collecteur 1 a qui est constitué par le matériau de base du cristal semiconducteur, n'ayant -pas subi de modifications, de sorte que la partie de la zone de base 6, qui doit être traversée par les porteurs de charge minoritaires, est limitée côté collecteur par une partie pénétrant dans la zone de base.L'avantage est que l'on obtient ainsi dans un tel transistor une base effective mince et par conséquent une fréquence de coupure élevée avec pourtant une faible distance de base dans un tel transistor. On essaie d'obtenir une concentration superficielle d'environ 5. 1019 à 10 atomes d'As ou de Sb dans la zone d'émetteur et une concentration superficielle de 1017 à 1019 atomes de Ga dans la zone de base. La largeur de la zone de base dans sa partie médiane est comprise dans le domaine de 0,2 à 1 et est, en particulier voisine de 0,3 . . La profondeur de pénétration totale de l'émetteur s'étend sur environ 0,2 jusqu'à 0,6 Pour compléter la structure obtenue sur la figure 1 la couche de Si02 doit être éliminee localement de la surface de la zone de base par corrosion, ce qui est réalisé en utilisant de nouveau de façon appropriée une technique de gravure à la laque photosensible. Ceci peut par exemple avoir lieu dans la zone 9 dont le contour est dessiné en pointillé.En tout cas la jonction p-n ne doit cependant pas être mise à nu. Les contacts sont réalisés par exemple par évaporation du matériau des électrodes,par exemple de l'aluminium. Cette éva- poration a lieu d'ordinaire sur toute la surface, la partie non souhaitée de la métallisation étant ensuite à nouveau éliminée par corrosion et l'aluminium restant dans les zones de contact est incorporé par frittage ou par alliage. Une autre zone de contact peut aussi être prévue comme connexion de collecteur. Les contacts ne sont pas représentés sur la figure. Lorsqu'on laisse s'étendre lascouche de SiO2 sous la couche de masquage en Si3N4, on obtient alors pour la jonction p-n base-collecteur 8, comme ceci est mis en évidence sur la figure 1 un profil oblique. Sa formation a déjà été esquissée ci-dessus.Le phénomène est particulièrement prononcé quand la couche 2 est constituée par du Si02. Pour préciser;le coefficient de diffusion de Ga dans Si02 est au moins 100 fois supérieur à celui dans Si, pour les températures de diffusion à utiliser principalement et qui sont comprises entre 10000 C et 12500 C. Le Ga alors pénétré perpendiculairement à la surface du Si, assez rapidement dans la couche de SiO2 ayant une épaisseur de 0,2t par exemple.Tandis qu'il se propage de façon bien plus lente dans Si, il peut se propager latéralement assez rapidement dans la couche 2 en Si02. Une évaluation grossière montre que la profondeur de pé- nétration latérale dans Si02 est environ dix fois supérieure à la profondeur de pénétration verticale dans Si. Ainsi la jonction p-n entre la zone de base et la zone de collecteur fait avec la surface de Si un angle obtus d'environ 1750. Par conséquent il est évident que la diminution de la tension de claquage de la jonction p-n base-collecteur est largement contenue grâce à la courbure de la jonction p-n aux claquages superficiels. L'exemple suivant montre cela clairement : des transistors au silicium qui sont d'ordinaire tout à fait identi i6 -3 ques, avec un dopage de base de 10 cm 3 (correspondant à une résistance spécifique de 1 ohm)et une profondeur de pénétration de la jonction p-n base-collecteur 8, sont fabriqués d'une part d'après le procédé décrit ci-dessus et d'autre part de façon conventionnelle. La tension de claquage a une valeur moyenne de 30 V pour les dispositifs fabriqués de façon traditionnelle et a une valeur moyenne de 65 V pour les transistors fabriqués conformément à l'invention. De façon explicite on insistera encore une fois sur le fait que le prolongement latéral plan de la jonction p-n dans la surface semiconductrice n'est obtenu que si la couche 2 s'étend sous le masque proprement dit, réalisé par la couche3. Si à la place de cela la couche 2 est mise en contact avec la surface du silicium, seulement dans la fenêtre de diffusion, la jonction p-n résultante aura des côtés en pente raide par rapport à la surface semiconductrice comme cela est décrit cidessus. Mais il est aussi recommandé dans ce cas de faire diffuser l'activateur dopant la zone de base en forme de cuvette à travers une couche isolante, laissant passer l'activateur, cette couche ayant été obtenue par croissance sur la surface semiconductrice ou ayant été produite par oxydation sur celleci. Cette couche isolante, dans ce cas, se limite à l'intérieur de la fenêtre de diffusion de la base, ou bien recouvre en outre le masque en Si3N4 proprement dit, qui est de son côté directement déposé sur la surface semiconductrice sauf dans la fenêtre. L'adoucissement de la pente des côtés de la jonction p-n et d'autres avantages du procédé décrit permettent une extension du procédé de diffusion décrit,à la fabrication d'autres dispositifs à semiconducteurs que des transistors, car ils se révèlent notamment convenir à la fabrication de diodes, En conséquence une autre caractéristique de l'invention prévoit un procédé pour fabriquer une diode planar avec au moins une jonction p-n en forme de cuvette qui est créée, à l'aide d'un masque de diffusion, constitué par une couche isolante inorganique sur la surface semiconductrice, par diffusion locale des activateurs correspondants, ledit procédé étant caractérisé par le fait que l'activateur diffusé pour la fabrication de la jonction p-n, est incorporé par diffusion dans la surface semiconductrice à travers une couche isolante recouvrant la surface semiconductrice dans la fenêtre de diffusion du masque proprement dit, Une telle diode est représentée sur la figure 2. Ici aussi on part par exemple d'un monocristal en silicium 21 en forme de pastille à conduction de type n, dont la surface est recouverte par une couche 22 en SiO2 qui de son côté supporte une couche de masquage 23 en Si3N4 pourvue d'une fenêtre de diffusion 24o Le gallium est incorporé par diffusion dans le silicium à conduction de type n grâce à cette fenêtre 24 en formant alors une zone 25 à conduction de type p en forme de cuvette avec des côtés faiblement inclinés. Dans ce cas la jonction p-n ne présente aucun évidement.Pour établir le contact de la zone 25 après la diffusion qui vient d'avoir lieu, on réalise par corrosion une fenêtre de contact dans la couche 22 et le contact de la zone 25 est réalisé à l'aide d'un métal évaporé et incorporé par frittage. Le contact est désigné par 26. L'établissement du contact de l'autre zone semiconductrice constituée par le matériau de base du cristal 21 s'effectue, de façon usuelle, par exemple grâce à une plaque de base métallique 27Q Les diodes fabriqués selon ce procédé présentent deux avantages essentiels : en raison de la faible courbure et de l'incidence oblique de la jonction p-n sur la surface, la tension de claquage augmente. De plus la surface semiconductrice est aussi recouverte totalement avant et pendant le phénomène de diffusion par une couche de protection de sorte qu'aucune impureté indésirable ne pénètre dans le semiconduc teur et n'influence de façon préjudiciable ses caractéristiques Les exemples de réalisation décrits peuvent être mo difiés Ainsi, par exemple, les accepteurs indium et zinc et le donneur lithium peuvent aussi être incorporés par diffusion à travers une couche de Si02 dans le semiconducteur sous-jacent. Finalement il faut encore mentionner que lors de la fabrication décrite ci-dessus du transistor, l'arsenic ou l'antimoine dopant l'émetteur peut-être diffusé avant et/ou simultanément avec le gallium diffusant dans la zone de base, R E V E N D I C A T I O N S 1, Procédé pour fabriquer un transistor planar comportant une zone de base et une zone d'émetteur en forme de cuvette , lesquelles sont produites par une diffusion locale d'activateurs correspondants à l'aide drun masque de diffusion, constitué par une couche isolante inorganique à la surface d'un cristal semiconducteur caractérisé par le fait que l'activateur dopant la zone de base est incorporé par diffusion dans le cristal semiconducteur à travers une couche isolante recouvrant la surface semiconductrice dans la fenêtre de diffusion du masque proprement dit prévu pour la réalisation de la zone de base et, que l'activateur dopant l'émetteur est incorporé de façon localisée par diffusion dans le cristal semiconducteur exclusivement à travers une fenêtre de diffusion ménagée dans cette couche isolante0 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche isolante inorganique, recouvrant la surface semiconductrice à l'intérieur de la fenêtre de diffusion utilisée pour la réalisation de la base, est dépourvue de substances dopantes au début du processus de diffusion. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la couche isolante inorganique, recouvrant la surface semiconductrice à l'intérieur de la fenêtre de diffusion utilisée pour la fabrication de la zone de base, recouvre aussi immédiatement la surface semiconductrice à l'extérieur de la fenêtre de diffusion et que le masque de diffusion pour la base proprement dit est déposé sur cette couche 4. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la couche isolante, inorganique, recouvrant la surface semiconductrice à l'intérieur de la fenêtre de diffusion utilisée pour la fabrication de la zone de base se limite à l'intérieur de la fenêtre de diffusion. 5. Procédé suivant l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que l'on utilise du silicium monocristallin à conduction de type n comme matériau semiconducteur, de l'arsenic ou de l'antimoine comme substance dopante pour la zone d'émetteur, du nitrure de silicium comme matériau pour le masque proprement dit pour-la réalisation de la zone de base et de la silice comme matériau pour la cou che isolante recouvrant l'intérieur de la fenêtre de diffusion de la base 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que l'arsenic et/ou l'antimoine dopant l'émetteur est diffusé avant et/ou simultanément avec le gallium dopant la zone de base. 70 Procédé suivant l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'on règle l'épaisseur de la zone de base en son centre à une valeur maximale de lu , la concentration superficielle du dopage superficiel dans la zone de base a une valeur comprise approximativement entre 1017 et 5.1019 atomes/cm3, la concentration superficielle dans la zone teur a une valeur comprise entre 5. l019et 1021 atomes/cm3, la profondeur de diffusion de la base sous l'émetteur a une valeur de 0,4 à 3 et la profondeur de diffusion de émetteur a une valeur de 0,2 à 2 P . 8. Procédé suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérise par le fait que la partie de la surface semiconductrice qui est à nu pendant la diffusion de l'activateur dopant l'émetteur, est identique à la surface de contact pour l'électrode d'émetteur. 9. Procédé pour fabriquer une diode planar avec au moins une jonction p-n en forme de cuvette, qui est créée, à l'aide d'un masque de diffusion constitué par une couche isolante inorganique sur la surface semiconductrice, par une diffusion locale d'activateurs correspondants, caractérisé par le fait que l'activateur diffusé pour la fabrication de la jonction p-n, est incorporé par diffusion dans la surface semiconductrice à travers une couche isolante recouvrant la surface semiconductrice dans la fenêtre de diffusion du masque proprement dit. 10. Procédé suivant la revendication 9, caractérise par le fait que la couche isolante laissant passer l'activateur à diffuser s'étend latéralement sous le masque de diffusion proprement dit 11. Procédé suivant l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé par le fait que l'on utilise comme matériau pour la couche isolante du dioxyde de silicium laissant passer l'activateur, et du nitrure de silicium pour le masque de diffusion proprement dit.