Brevet FR2095258A1 — publié le 19720211

La présente invention concerne des dispositifs semi-conducteurs, et en particulier une structure isolante de dispositifs de circuit intégré et un procédé de leur fabrication. Dans les dispositifs semi-conducteurs tels que les circuits in-5 tégrés ou les dispositifs à intégration à large échelle, dans lesquels plusieurs éléments de circuit sont formés dans un substrat semi-conducteur, la séparation électrique de chaque élément, c*est-à-dire l'isolement est très important. On connait les procédés d'isolement classiques suivants : 10 (a) lin procédé utilisant une jonction PN d'un semi-conducteur (b) un procédé selon lequel on interpose une matière isolante entre chaque élément. Généralement, on utilise le procédé (a) car il est relativement facile à mettre en oeuvre. Comme le montre la figure 3» le procédé (a), à savoir l'isole-15 ment par des jonctions PN consiste à former une couche 2 épitaxiée de type N sur un substrat 1 de silicium de type P, et à réaliser la diffusion sélective d'une impureté de type P dans la couche 2 de type N pour former une région isolante 3 entourant des parties de la couche 2 de type N, foimant ainsi plusieurs îlots semi-con-20 ducteurs de type N isolés électriquement 1'un de l'autre. On forme l'élément de circuit 4 dans la région par diffusion de la base et de l'émetteur. Cependant, ce procédé présente deux défauts principaux : tout d'abord la capacité d'isolement de la jonction PN est importante, et d'autre part comme la surface de la 25 région isolante 3 est fortement diffusée, il se pose des problèmes tels que l'abaissement de la tension de rupture de l'isolement, l'augmentation du courant de fuite entre les éléments de circuit, et un court-circuit ou une modification des caractéristiques ou du fonctionnement du circuit. 30 La présente invention vise à supprimer ces défauts. L'invention concerne des dispositifs à circuits intégrés fiables dans lesquels on peut réduire la capacité d'isolement et élever la tension de rupture entre les éléments de circuit, en formant au moins partiellement des régions isolantes en matière isolante. 35 L'invention vise également l'obtention d'une structure isolante en utilisant seulement une matière isolante, en augmentant la quantité de l'isolant dans la région isolante précitée. L'invention vise également un procédé de fabrication facile de dispositifs semi-conducteurs comportant les structures isolantes 40 précédemment décrites. 71 21453 2 2095258 Un dispositif s «ai-conducteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'une couche semi-conductrice monocristalline ayant un type de conductivité formée dans un substrat semi-conducteur mono-cristallin ayant un type de conductivité inverse, ou une couche 5 semi-conductrice monocristalline formée au-dessus d'un substrat semi-conducteur polycristallin à travers une pellicule isolante, est entourée et divisée en plusieurs régions semi-conductrices isolées électriquement l'une de l'autre par une couche d'oxyde de semi-conducteur au contact du substrat semi-conducteur. 10 Le procédé selon un mode de réalisation de l'invention consiste à former sur un substrat semi-conducteur ayant un type de conductivité, une couche semi-conductrice de conductivité inverse, à former partiellement à la surface de la couche semi-conductrice une pellicule de Matière permettant l'oxydation sélective de la 15 couche semi-conductrice, et à oxyder sélectivement la couche semi-conductrice de façon à atteindre le substrat en utilisant la pellicule comme masque. La couche semi-conductrice oxydée constitue une région isolante. Le procédé selon tin autre mode de réalisation de l'invention 20 consiste à former sélectivement une pellicule d'une matière isolante à la surface d'un substrat semi-conducteur monocristallin, à oxyder sélectivement et profondément le substrat semi-conducteur en utilisant la pellicule comme masque, à former une couche semi-conductrice polycristalline sur la totalité de la surface de la 25 pellicule isolante et de la couche oxydée, et à enlever le revers du substrat pour exposer la couche d'oxyde. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti-ront de la description qui suit de divers modes de réalisation conformes à l'invention. Sur ces dessins des numérotations iden-30 tiques désignent des parties identiques. La figure 1 est une élévation en perspective d'une coupe d'un semi-conducteur, montrant la structure isolante fondamentale d'un semi-conducteur selon l'invention. La figure 2 est une élévation en perspective d'une coupe d'un 35 semi-conducteur, montrant une autre structure isolante selon l'invention. La figure 3 est une élévation en perspective d'une coupe d'un semi-conducteur montrant la structure isolante classique. Les figures 4 (a) à (d) sont des coupes en élévation du semi-40 conducteur à divers stades de la fabrication du dispositif repré 71 21453 3 2095258 senté dans la figure 1; et les figures 5 (a) à (e) sont des coupes en élévation du semiconducteur à divers stades de la fabrication du dispositif représenté dans la figure 2. 5 Mode de réalisation 1. Dans les figures, un substrat de silicium monocristallin de type P" est désigné par le numéro de référence 11 et les numéros de référence 12a, 12b, 12c ... désignent des régions de silicium de type N formées dans le substrat de silicium 11, et le numéro de 10 référence 13 désigne une région isolante en oxyde semi-conducteur, telle que de la silice formée de telle sorte qu'elle soit au contact du substrat 11 et qu'elle entoure chaque région de silicium de type N. Des éléments de circuit 14 tels que des transistors sont formés dans chaque région de silicium de type N, et des rac-15 cordements (non représentés dans les figures) réunissent électriquement chaque élément de circuit. Dans le dispositif intégré précédent les régions de silicium de type N, dans lesquelles les éléments de circuit sont formés, sont entièrement isolées électriquement du substrat de silicium de type P par jonctions PN et isolées 20 l'une de l'autre par la pellicule d'oxyde semi-conducteur située entre elles. Mode de réalisation 2. Les figures 4 montrent chacun des stades successifs de la fabrication d'un dispositif semi-conducteur ayant la structure du 25 mode de réalisation 1. Comme le montre la figure 4 (a), on forme une couche 15 de type N+ ayant une faible résistivité dans une partie d'une surface principale d'un substrat 11 de silicium de type P" ayant une résistivité élevée, par diffusion importante d'une impureté de type 30 N, puis on forme une couche 12 de type N de résistivité élevée sur la surface principale du substrat sur une épaisseur d'environ 3 microns selon le procédé bien connu d'épitaxie. Comme le montre la figure 4 (b), on forme à la totalité de la surface de la couche 12 de type N selon la technique classique une 35 pellicule 16 d'une matière qui permet d'oxyder sélectivement le semi-conducteur, par exemple du nitrure de silicium (Si^N^), puis on l'enlève sauf axis endroits de la couche semi-conductrice où on doit former un élément de circuit. Comme le montre la figure 4 (c), on oxyde sélectivement la cou-40 che 12 de type N de résistivité élevée pour former une couche 71 21453 4 2095258 d'oxyde de silicium 13 ayant une épaisseur d'environ 2 à 3 microns en chauffant l'élément semi-conducteur en atmosphère oxydante pendant environ 4 à 6 heures à une température d'environ 1 200°C, et en utilisant la pellicule 16 de nitrure de silicium comme masque. 5 La couche 13 d'oxyde de silicium constitue une région isolante semblable à celle représentée dans la figure 1, qui divise électriquement la couche 12 de type N en plusieurs régions. Puis on retire partiellement ou en totalité la pellicule 16 de nitrure de silicium. 10 Comme le montre la figure 4 (d), on forme un élément de circuit 14 par exemple un transistor dans la région 12 isolée de type H par diffusion sélective, puis on forme une pellicule protectrice 17 d'oxyde de silicium à la surface puis on dispose des interconnexions ou des électrodes 18, 19 et 20 au contact de chaque ré-15 gion de l'élément de circuit. Comme la région isolante obtenue selon le procédé de fabrication précédent n'est pas constituée d'une couche diffusée classique mais d'une pellicule épaisse d'oxyde de silicium, on peut réduire la capacité de l'isolement. De plus, dans une telle struc-20 ture, comme la tension de rupture dépend de la jonction NFr, on peut obtenir des caractéristiques de tension de rupture inverse extrêmement élevées par rapport à la structure isolante classique dans laquelle la tension de rupture dépend de la jonction P+N. Mode de réalisation 3« 25 La figure 2 représente un autre mode de réalisation de circuit intégré comportant une structure isolante selon l'invention. Sur le dessin, le numéro de référence 21 désigne un substrat de silicium polycristallin, les numéros de référence 22a, 22b, 22c ... désignent des régions de silicium de type N formées sur le subs-30 trat de silicium polycristallin à travers les pellicules isolantes 26, le numéro de référence 23 désigne une région isolante en semiconducteur oxydé qui entouré chaque région de silicium de type N et est au contact du substrat polycristallin de silicium. On forme un élément de circuit 24 dans chaque région de silicium de type N. 35 Dans un tel circuit intégré, chaque région de silicium de type N dans lesquelles sont formées les éléments est isolée électriquement du substrat de silicium polycristallin par les pellicules isolantes 26, et sont isolées les unes des autres par la pellicule d'oxyde semi-conducteur 23. 71 2U53 5 2095258 Mode de réalisation 4* La figure 5 représente chaque stade successif de fabrication d'un dispositif semi-conducteur selon le mode de réalisation 3. Comme le montre la figure 5 (a), on forme une couche 27 mince 5 de type N+ sur une face principale d'un substrat 22 de silicium de type N ayant mie résistivité élevée, par diffusion importante d'une impureté de type N, puis on réalise sur des parties de la surface de la couche 27 de type N une pellicule 26 d'une matière ayant une vitesse d'oxydation nettement inférieure à celle du si- 10 licium, par exemple du nitrure de silicium. Comme le montre la figure 5 (b), on forme une pellicule d'oxyde de silicium 23 ayant une épaisseur d'environ 2 à 3 microns par traitement oxydant en utilisant comme masque la pellicule 26 de nitrure de silicium. 15 Comme le montre la figure 5 (c), on forme une couche 21 de silicium polycristallin ayant une épaisseur suffisante sur la totalité de la surface du substrat de silicium recouvert de la pellicule 26 de nitrure de silicium et de la pellicule 23 d'oxyde de silicium par dépSt épitaxié de silicium. 20 Comme le montre la figure 5 (d), on use la surface opposée du substrat 22 de silicium pour en enlever de façon parallèle une partie et exposer la couche 23 d'oxyde de silicium par usure mécanique, par exemple par rectification. Ainsi, la couche de silicium 22 de type N est divisée en plusieurs régions de silicium par la 25 couche 23 d'oxyde de silicium. Comme le montre la figure 5 (e), on forme un élément de circuit 24 dans une surface de là couche (région) usée de silicium de typé N par diffusion sélective, puis on réalise respectivement une pellicule 28 protectrice d'oxyde de silicium et les électro- 30 des 29» 30 et 31• Là structure du mode de réalisation 4 a les mêmes caractéristiques excellentes que celles des modes de réalisation 1 et 2 en ce qui concerne la capacité de l'isolement et la tension de rupture inverse. 35 Dans un isolement diélectrique classique, on forme un sillon d'isolement en gravant un substrat semi-conducteur entre chacun des éléments semi-conducteurs, mais il y a des différences de profondeur dans le sillon qui rendent difficile le traitement ultérieur de rectification. 71 21453 6 2095258 Bien entendu l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre purement explicatif mais nullement limitatif, elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 71 21453 7 2095258 REVENDICATIONS 1 - Dispositif semi-conducteur caractérisé en ce qu'il est constitué d'un substrat semi-conducteur ayant un type de conductivité, de plusieurs îlots semi-conducteurs ayant un type de con-5 ductivité inverse formés sur ledit substrat semi-conducteur, et d'une couche isolante qui est formée sur ledit substrat semiconducteur et entoure lesdits îlots semi-conducteurs, de telle sorte que lesdits îlots semi-conducteurs soient isolés électriquement les uns des autres. 10 2 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éléments de circuit semiconducteur formés dans lesdits îlots semi-conducteurs. 3 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit semi-conducteur est constitué essentielle- 15 ment de silicium et que ladite couche isolante est constituée essentiellement d'oxyde de silicium. 4 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat semi-conducteur est du silicium de type P de résistivité élevée et lesdits îlots semi-conducteurs 20 sont en silicium de type N. 5 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche isolante a une profondeur au moins égale à celle desdits îlots semi-conducteurs. 6 - Dispositif semi-conducteur caractérisé en ce qu'il est 25 constitué d'un substrat semi-conducteur ayant un premier type de conductivité, d'une première région semi-conductrice ayant un second type de conductivité formée dans une partie de la surface dudit substrat semi-conducteur, de plusieurs îlots semi—conducteurs formés sur la surface principale dudit substrat semi-con- 30 ducteur, et d'une couche isolante formée sur ledit substrat semiconducteur et entourant lesdits îlots semi-conducteurs, un desdits îlots semi-conducteurs étant contigu à ladite première région semi-conductrice. 7 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 6, carac- 35 térisé en ce que lesdits îlots semi-conducteurs sont du second type de conductivité. 8 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde région semi-conductrice du premier type de conductivité formée dans l'un desdits îlots 40 semi-conducteurs et une troisième région semi-conductrice du 71 21453 8 2095258 second type de conductivité formée dans ladite seconde région semi-conductrice• 9 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit substrat semi-conducteur a un type de con-5 ductivité P, ladite première région semi-conductrice un type de conductivité N de faible résistivité, lesdits îlots semi-conduc-teurs ont un type de conductivité N, ladite seconde région semi-conductrice un type de conductivité P et ladite troisième région semi-conductrice un type de conductivité N de faible résistivité. 10 10 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite couche isolante a une profondeur au moins égale à celle desdits îlots semi-conducteurs. 11 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit semi-conducteur est en silicium et ladite 15 couche isolante est en oxyde de silicium. 12 - Dispositif semi-conducteur caractérisé en ce qu'il est constitué d'un substrat semi-conducteur polycristallin d'une pellicule isolante formée sur une surface dudit substrat polycristallin d'un îlot semi-conducteur monocristallin formé sur ladite pel- 20 licule isolante, et d'une couche isolante qui est formée sur ledit substrat polycristallin et entoure ledit îlot semi-conducteur monocristal!in avec ladite pellicule isolante. 13 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit semi-conducteur est constitué essentielle- 25 ment de silicium, ladite pellicule isolante est constituée essentiellement de nitrure de silicium et ladite couche isolante est constituée essentiellement d'oxyde de silicium. 14 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 12, carac térisé en ce qu'il comporte un élément de circuit formé dans le- 30 dit îlot semi-conducteur monocristallin. 15 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 13, carac térisé en ce qu'il comporte une première région semi-conductrice ayant un type de conductivité inverse de celui dudit îlot semiconducteur monocristallin et qu'elle y est formée, et d'une se- 35 conde région semi-conductrice qui a le même type de conductivité que ledit îlot semi-conducteur et qui est formée dans ladite première région semi-conductrice. 16 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 15, carac térisé en ce qu'il comporte une couche enfouie de faible résisti- 40 vité qui a le même type de conductivité que ledit îlot semi-conduc 71 21453 9 2095258 teur et est formée dans le fond de celui-ci, et un dispositif de raccordement électrique audit îlot semi-conducteur. 17 - Procédé de fabrication d'un circuit semi-conducteur intégré," consistant à épitaxier une matière semi-conductrice sur un subs- 5 trat semi-conducteur ayant un type de conductivité pour former une couche semi-conductrice, à former plusieurs masques sur ladite couche semi-conductrice selon un dessin prédéterminé, et à oxyder sélectivement la dite couche semi-conductrice pour former une couche semi-conductrice oxydée contigue audit substrat semi-conduc- 10 teur et entourant plusieurs parties dé ladite couche semi-conductrice sous lesdits masques. 18 - Procédé de fabrication d'un circuit intégré semi-conducteur selon la revendication 17, caractérisé en ce que ladite couche semi-conductrice oxydée formée a une profondeur au moins égale à 15 celle de ladite couche semi-conductrice. 19 - Procédé de fabrication d'un circuit semi-conducteur intégré selon la revendication 18, caractérisé en ee que lors du dépôt de ladite matière semi-conductrice on introduit une impureté déterminant la conductivité pour former la couche semi-conductrice ayant 20 un type de conductivité opposé à celui dudit substrat semi-conducteur. 20 - Procédé de fabrication d'un circuit intégré semi-conducteur selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il consiste à former une couche semi-conductrice enfouie ayant un type de conduc- 25 tivité inverse dans ladite couche semi-conduttrice. 21 - Procédé de fabrication d'un circuit intégré semi-conducteur selon la revendication 18, caractérisé en ce que lesdits masques sont en nitrure de silicium et ledit semi-conducteur en silicium. 22 - Procédé de fabrication d'un circuit intégré semi-conducteur, 30 caractérisé en ce qu'il consiste à former plusieurs masques isolants sur une partie d'un substrat semi-conducteur, à oxyder sélectivement une partie dudit substrat semi-conducteur non recouverte dudit masque isolant pour former une couche semi-conductrice oxydée, à épitaxier une matière semi-conductrice sur lesdits mas- 35 ques isolants et ladite couche semi-conductrice oxydée pour former une couche polycristalline. 23 - Procédé de fabrication d'un circuit intégré semi-conducteur selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il consiste à enlever une matière semi—conductrice du côté opposé dudit substrat 40 semi-conducteur de façon pratiquement plane pour exposer ladite 71 21453 10 2095258 couche semi-conductrice oxydée. 24 - Procédé de fabrication d'un circuit intégré semi-conduc-teùr selon la revendication 22, caractérisé en ce que ledit semiconducteur est du silicium et "ledit masque isolant du nitrure de 5 silicium, 25 - Procédé de fabrication d'un circuit intégré semi-conducteur caractérisé en ce qu'il consiste à épitaxier une matière semi-conductrice sur un substrat semi-conducteur d'un premier type de conductivité pour former une couche semi-conductrice d'un second 10 type de conductivité et à diviser ladite couche semi-conductrice en plusieurs régions semi-conductrices par oxydation sélective.