Brevet FR2061709A1 — publié le 19710625

La présente invention concerne d'une façon générale la fabrication de dispositifs à serai-conducteur et plus particulièrement un procédé de formation, par implantation d'ions, d'une zone localisée dans un corps de semi-conducteur, ce procédé consistant 5 à appliquer un premier revêtement constitué d'un premier matériau, sur la surface dudit corps, à appliquer sur le premier revêtement un second revêtement constitué d'un second matériau, et à éliminer des parties sélectionnées du second revêtement, de telle sorte qu'une ouverture soit formée dans le second revêtement et qu'une 10 partie du revêtement soit ainsi découverte. Une des propriétés du procédé par implantation d'ions consistant à introduire des impuretés de contamination dans une surface d'un semi-conducteur, que l'on souhaite généralement obtenir est que les impuretés de contamination se développent d'une 15 façon sensiblement rectiligne sans déplacement" latéral isotropique comme dans un procédé par diffusion. Ce développement rectiligne crée cependant un problème en ce sens que les jonctions planes produites par implantation d'ions ne se prolongent normalement pas sous un oxyde de passivation et de protection aux endroits où la 2C jonction intersecte la surface du dispositif, comme cela est généralement souhaitable. Une manière de résoudre ce problème consiste à implanter les ions de contamination à travers un masque, puis à former un nouveau revêtement de protection sur la surface en sorte que les 2? ouvertures pratiquées dans le nouveau revêtement de protection soient plus petites que les ouvertures correspondantes dans le masque. Ce procédé donne évidemment lieu à des jonctions qui s'étendent sous les bords des ouvertures dans le nouveau revêtement. Ce procédé ne donne toutefois pas satisfaction dans de nom-30 breuses applications par le fait qu'il est difficile d'aligner de façon précise les ouvertures formées dans le nouveau revêtement avec celles qui existent dans le masque originel. L'alignement devient de plus en plus difficile à réaliser à mesure que décroît la taille des dispositifs. 3 5 L'invention a donc pour objet un procé'dé pour fabriquer des jonctions localisées par implantation d'ions sans que se produise le problème de l'alignement tel qu'il a été évoqué plus haut. Le procédé selon l'invention se caractérise en ce qu'il consiste à éliminer sélectivement la partie découverte du premier revêtement de telle sorte qu'une partie de la surface du semi- COPY 70 33215 2 2061709 conducteur soit ainsi découverte, à agrandir l'ouverture formée dans 1® second revêtement de telle sorte qu'un anneau du matériau dont est constitué le premier revêtement soit laissé découvert . autour du pourtour de l'ouverture formée dans le premier revête-5 ment, à soumettre la structure ainsi obtenue à l'action d'un faisceau d'ions de contamination ayant une énergie suffisante pour pénétrer dans la partie découverte du premier revêtement et suffisante pour modifier la semi-conductivité du semiconducteur sous-ja"ent mais insuffisante pour pénétrer complètement dans les ré-10 gions où le second revêtement recouvre le premier. Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, on forme une première couche relativement mince d'un premier matériau sur la surface d'un corps de semi-conducteur., On forme ensuite une seconde couche constituée d'un second matériau, par dessus la 15 première- On forme un masque percé d-une ouverture sur la seconde couche et on immerge l'ensemble dans un milieu qui attaque le second matériau mais qui n'attaque toutefois pas de façon appréciable le premier matériau» De cette manière on forme une ouverture dans la seconde couche sous lv ouverture ménagée dans le masque» 2C On élimine ensuite le masque et on immerge la structure restante dans un milieu qui attaque le premier matériau mais n'attaque pas de façon appréciable le second matériau. On forme ainsi une ouverture dans la première couche sous l'ouverture formée dans la seconde couche et une partie de la surface du corps de semi-;-ondue-25 teur se trouve ainsi mise à nu. On immerge ensuite la structure résultante dans le milieu qui attaque le second matériau mais non le premier de telle sorte que la seconde couche se trouve simultanément amincie tandis que l'ouverture dans la seconde couche se trouve élargie, un an» 3£ neau du premier matériau découvert apparaissant de la sorte autour du pourtour de l'ouverture formée dans la seconde couche. On soumet ensuite la structure à l'action d'an faisceau d'ions de contamination ayant une énergie suffisante pour pénétrsr dans l'anneau du premier matériau découvert, mais insuffisante JS pour pénétrer dans la partie de la structure où se trouvent combinées la première couche et le restant de la seconde couche» On forme de cette manière une jonction PM qui intersecte la surface située sous l'anneau de la première couche de sorte que la jonction se trouve sous la première couche et soit passivée par celle-ci. 70 33215 2061709 Selon le choix des matériaux spécifiques on peut avantageusement ajouter des couches additionnelles à celles que l?on a décrites plus haut. C'est ce que l'on verra en détails plus loin. On peut aussi utiliser un processus de pulvérisation sélectif en lieu et place du processus d-attaque chimique sélective pour former les ouvertures dans le masque revêtu. Ce procédé de pulvérisation est bien connu dans le domaine de l?art» L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints sur lesquels: - la figure 1 montre une coupe transversale dans un corps de semi-conducteur ayant une jonction PN formée par implantation d'ions à travers un masque selon l'invention; - les figures 2 à 6 montrent la partie de semi-conducteur de la figure 1 telle qu'élle apparaît aux différents stades du procédé conduisant à la structure de la figure 1 * - la figure 7 montre une coupe transversale dans un corps de semi-conducteur incorporant de multiples jonctions Pïï formées et passi\ées selon 1*invention. On remarquera que pour la clarté et la simplicité de la description des dessins, ceux-ci n'ont pas été nécessairement tracés à I?échelle. La figure 1 montre une partie 10 d'un corps de semiconducteur contenant une jonction ?N 13 formés par le processus d'implantation d'ions selon l'invention. On voit que la partie de la jonction 13 qui intersecte la surface du corps semi-conducteur 3'étend en dessous d'une couche diélectrique de passivation 14. Les principales phases du processus conduisant à la structure représentée sur la figure 1 sont illustrées par les figures 2 à 6. Gomme le montre la figure 2, on commence par former une première couche 14- sur la surface d?uns partie 11 du semi-conducteur, constituée par exemple de silicium, La couche 'lu, est de préférence un diélectrique convenant peur servir de .couche de passivation, tel que par exemple une couche d-oxyde de silicium développé par voie thermique, ayant une épaisseur d?environ 0,1 micron ou davantage, 3'autres substances diélectriques peuvent toutefois être utilisées ou bien on peut déposer une couche d'oxyde de silicium au lieu de la développer par voie thermique. 70 33215 2061709 Sur la couche 14 on forme une seconde couche 15 constituée d'un matériau différent de celui dont est constituée la couche 14 ? de manière à permettre de procéder à une attaque chimique sélective» La couche 15 est de préférence un diélectrique;par 5 exemple de l'oxyde d'aluminium ou du nitrure de silicium ayant une épaisseur de 0,3 micron environ ou davantage, qui peut être formé par vaporisation, projection ou décomposition thermique. Pour des raisons pratiques qui seront expliquées plus loin, on forme ensuite sur la couche 15 une troisième couche 16 1C constituée avantageusement du même matériau que la touche 14= La Douche 16 pourrait cependant être constituée d'un matériau différent à condition que celui-ci soit attaqué par une solution qui n'attaque pas la couche 15 d'une façon appréciable et qu'il ne soit pas attaqué de façon appréciable par la solution que l'on devra 15 utiliser pour attaquer la couche 15. Sur la couche 1ôon forme, de façon connue, un masque 17 au-dessus de la zone de la surface du semi-conducteur dans laquelle on souhaite former la jonction P -N. On soumet ensuite la structure de la figure 2 à l'action 20 d'un agent chimique, tel que l'acide fluorhydrique, qui attaque la couche 16 mais n'attaque pas de façon appréciable le masque 17. Une ouverture se trouve ainsi formée dans la couche 16 en dessous de l'ouverture ménagée dans le masque 17, et déborde de cette dernière ouverture comme illustré sur la figure 3• 25 On élimine alors le masque 17 et on soumet la structure ainsi obtenue à l'action d'un agent chimique tel que l'acide phosphorique chaud à 170°C environ, qui attaque la Douche 15 mais n'attaque pas de façon appréciable la couche 14» Une ouverture se trouve ainsi formée dans la couche 15 en dessous de l'ouverture mé-30 nagée dans la couche 16 et débordant de cette dernière ouverture, Le processus d'attaque chimique s'arrête automatiquement étant donné que la couche 15 n'est pas attaquée. La structure obtenus à ce stade est illustrée sur la figure 4. Cette structure est alors soumise à l'action d'un agent. 35 chimique, tel que l'acide fluorhydrique, qui attaque les couches 14 et 16 mais n'attaque pas de façon appréciable la joucîie 15 ou le semi-conducteur 11. La couche 16 se trouve de la sorte complètement éliminée et la partie de la couche 14 qui se trouve ainsi exposée à travers l'ouverture formée dans la couche 15 est alors attaquée de manière à mettre à nu une partie 19 de la surface de silicium comme 70 33215 5 y 2061709 le montre la figure 5. La structure obtenue de la sorte est soumise à une nouvelle action de l'agent chimique qui attaque la couche 15 mais n'attaque pas de façon appréciable la couche 14» A mesure que la 5 couche 15 est attaquée, elle s'amincit et, surtout;, la paroi latérale 15A de l'ouverture de la couche 15 se déplace latéralement afin de former une ouverture plus large à mesure que 1s processus avance. Il est clair que 3e trcave ainsi découvert un anneau 20 de la couche 14} entourant l'ouverture formée dans la couche 14 comme 1C l'illustre la figure 6. On soumet ensuite la structure obtenue à l'action d'un faisceau d'ions de contamination à énergie'élevée afin de former la jonction P-M comme illustré sur la figure 1, Par exemple, pour convertir la structure montrée sur la figure 6 en une structure 15 telle que montrée sur la figure 1} on dirige de façon connue sur la surface du corps de semi-conducteur un faisceau d'ions de bore à énergie élevée, par- exemple 100 keV environ. Les couches 14 et 15 jouent le rôle d'un masque, et à condition que 17énergie'du faisceau soit, suffisante pour que les ions pénètrent dans la partis 20 découverte de la couche 14 autour de l'ouverture mais ne pénètrent ç-as dans les couches 14 et 15 combinées, la zone 12 et la jonction 13 correspondante se trouvent formées comme montré"sur la figure 1. C'est ainsi, par exemple; qu-un faisceau d'ions de bore de 100 keV pénètre sur une profondeur de 0,3 micron dans le siii-25 cium exposé et forme approximativement une distribution gaussienne d'impuretés avec une demi-largeur de 0,06 micron environ. Comme un faisceau pénètre dans 1'oxyde de silicium à peu près autant que fans le silicium, les ions à 100 keV qui traversent l'anneau 20 ayant une épaisseur de 0S1 micron, pénètrent dans le silicium'sur .ne profondeur d'environ 0,2 micron» Un faisceau ayant une énergie' de 100 keV ne pénètre pas complètement dans les régions ayant une épaisseur d'au moins 0}4 micron, constituées d-au soins 0,3 micron d'oxyde d'aluminium et de 0,1 micron a5oxyde de silicium* Ainsi qu'il est bier. :.omu dans le domaine de l'art;, 35 l'allure de la variation du dopage peut être réglée nomme on le souhaite en modulant l'énergie du faisceau, son courait et sa durée, comme décris} par exemple.! d«ù--s 1?article intitulé "Ion Implantation in 3emiconducters" par -J. F. Gibbons ,, paru dans Proceedings of the I.E.S.S.3 volume 56, numéro 3 5 mars *968s pages 295-319. 70 33215 2061709 Il est clair pour l'homme de l'art que la couche 15 peut rester faire partie de la structure pour jouer un rois de passiva-* tion additionnelle ou qu'elle peut être éliminée, comme on le désire. 5 Parmi les multiples couches, deux seulement sont essen tielles pour 1*invention. Sans la forme de réalisation décrite plus haut dans laquelle la couche 14 est constituée à-oxyde de silicium et la couche 15 d'oxyde d'aluminium, on a avantageusement utilisé une troisième couche 16 cons'oitué-e d'oxyde de silicium étant donné que les masques connus ne sont pas considérés comme donnant entière satisfaction, dans la plupart des applications} dans l'acide phosphorique chaud habituellement utilisé pour attaquer l'oxyda d'aluminium. C'est pourquoi on a d7abord formé un masque plus satisfaisant constitué d'oxyde de silicium 16 en utilisant 15 une réserve comme on l'a décrit. Il est bien entendu que d'autres agencements peuvent être conçus par l'homme de l'art tout en restant dans l'esprit et le cadre de l'invention. Par exemple, on peut constituer toutes les couches en sa-20 tériaux qui ne sont pas diélectriques. L'une ou l'autre de toutes les couches peuvent être conductrices au' choix de l'homme de l'art dans le cadre d'applications particulières. C'est ainsi, par exemple ; que l'on peut utiliser du cuivre de 0,1 micron d'épaisseur pour la couche 15 5 et dans ce cas on peut se passer de la couche 16 25 et utiliser une solution d'acide nitrique pour attaquer le cuivre. Il est évident que si un métal est utilisé pour la couche 15, il est normalement éliminé après implantation afin d'éviter les courts-circuits électriques entre dispositifs» On peut aussi utiliser plusieurs touches et une attaque. 30 chimique sélective pour for-mer un masque à travers lequel peuvent être effectuées des implantations et/ou diffusions successives afin de former des jonctions P-H localisées, comme montré sur la figure 7. La figure 7 montre que trois couches £2, 23 et 24 ssr-3> vant de masques sont formées sur un corps de semi-conducteur ZIs de type Ps par exemple. L'ouverture dans la couche 23 est plus grande que l'ouverture dans la couche 22 et l'ouverture dans la couche 24 est plus grande que l'ouvert'ire dans la couche 23. Une première implantation d'ions de type M ayant une énergie suffisante pour pouvoir pénétrer dans les couches 22 et 23, a pour effet 70 33215 ' 2061709 de former la zone localisée 25, de type H. Or forme ensuite une zone superficielle 26, de type N, par diffusion à l'état solide ou implantation d'ions, au choix. On voit clairement que la zone 26, de type N, peut constituer l}émetteur d9un transistor, la zone 27, 5 de type P, la base et la zone 25, de type N, le collecteur. Bien que les structures qui ont été décrites à titre d'exemple ne soient que des dispositifs uniques, il ia de soi que plusieurs dispositifs peuvent être réalisés sur un seul corps de semi-conducteurj par exemple sous forme de circuits intégrés. Un 0 transistor tel que représenté sur la figure 7, par exemple, est un transistor parfaitement isolé qui peut *etre avantageusement utilisé dans des circuits intégrés. 70 33215 2061709 iSVSIffll CATIONS. 1.- Procédé pour former, par implantation d'ions,. une sone localisée dans un ^orps de semi-conducteur, selon lequel on applique un premier revêtement constitué dsun premier matériau, sur 5 la surface dudit corps, on applique sur le premier revêtement un second revêtement constitué d'un second matériaus et on élimine des parties sélectionnées du second revêtement, de telxe sorte qu'une ouverture soit formée dans le second revêtement et qu'une partie du revêtement soit ainsi découverte, caractérisé en ce qu'il con-siste à éliminer sélectivement la partie découverte du premier revêtement de telle sorte qu'une partie de la surface du semi-conducteur soit ainsi découverte, à agrandir l'ouverture formée dans le second revêtement de telle sorte qu'un anneau du matériau dont est constitué le premier revêtement soit laissé découvert autour du "*5 pourtour de l'ouverture formée dans le premier revêtement, à soumettre la structure ainsi obtenue à l'action d'un faisceau d'ions de contamination ayant une énergie suffisante pour pénétrer dans la partie découverte du premier revêtement et suffisante pour modifier la semi-conductivité du semi-conducteur sous-jacent mais 20 insuffisante pour pénétrer complètement dans les régions où le second revêtement recouvre le premier. 2.= Procédé selon la revendication 1, c aractérisé en ce que le premier revêtement est constitué d'oxyde de silicium et en ce que le second revêtement est constitué d9un matériau choisi dan; 25 le groupe comprenant l'oxyde d'aluminium et le nitrure de silicium, 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on applique sur le second revêtement un troisième revêtement constitué d'un troisième matériau, on élimine des parties sélectionnées du troisième revêtement en exposant des régions séiec- 30 tionnées de ce dernier revêtement à l'action d'une solution qui attaque ledit troisième matériau beaucoup plus rapidement que ledit-deuxième matériau de telle sorte qu'une ouverture se trouve formée dans le troisième revêtement et qu'une partie de la surface supérieure du second revêtement soit ainsi découverte, on élimine la 3-' partie découverte du second revêtement en exposant cette partie du second revêtement à l'action d'une solution qui attaque le second revêtement beaucoup plus rapidement que le premier et le troisième revêtement, de sorte qu'une ouverture soit formée dans le second revêtement et qu'une partie de la surface supérieure du premier revêtement soit ainsi découverte, on élimine la partie découverte bad original. 70 33215 2061709 du premier revêtement et les parties restantes du troisième revêtement en exposant cette partie du premier revêtement et les par-exe s restantes du. c xc j- c * t-mc r^vetement ci -L-a uexon q une so j_ uc j.. o n qui attaque le premier et xe troisième revêtement ceau,-oup plus rapidement que le second revècemenc, ae sorte qu'une cu/erture se iv-'ï'ïTit:© uans is px^BLiaSi^ jTÔ /ocorriL» SO «aixS *Ps.i'os G,s xs, curiâ- « Sî- 4- - Procédé selon la revendication 3:. ;-aractérisé en c e que Ï3 premier matériau est le même que le troisième matériau. 5. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en c 3 que ^ e premier matériau est de 1 "'oxyde de silicium. 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