Brevet FR2077315A1 — publié le 19711022

La présente invention concerne une méthode de fabrication de circuits monolithiques. (L'obtention de densités d'intégration de plus en plus élevées au niveau du bloc semiconducteur fait l'objet de recherches incessantes dans l'industrie, et l'une des principales difficultés que présentent ces recherches provient 5 de la nécessité de réaliser un isolement électrique entre les différents composants des circuits. Cet isolement s'obtient généralement par diffusions verticales d'impuretés à travers une couche épitaxiale (dans laquelle sont formés les composants des circuits) jusqu'au substrat sous-jacent ayant le même type de conductivité que les régions diffusées d'isolement. 10 Une partie importante de la géométrie disponible du bloc du circuit est consacrée aux régions diffusées d'isolement. Il est par conséquent avantageux de fournir des régions diffusées d'isolement de section horizontale minimum, particulièrement auxprofondeurs auxquelles les composants actifs du circuit formés dans la couche épitaxiale présentent des dimensions horizontales maximum. 15 Diverses solutions du problème posé par la réalisation de murs d'isolement verticaux dans des blocs de microcircuits monolithiques ont précédemment été proposées. Par exemple, le brevet des E.U.A. N°3.2B0.902 décrit une méthode consistant à situer des régions d'impuretés d'isolement à des emplacements désirés sur un substrat semiconducteur, à faire croître une couche épitaxiale de type 0 de conductivité opposé au-dessus du substrat, puis à soumettre la couche épitaxiale et le substrat à un traitement thermique grâce auquel les impuretés d'isolement sont complètement rétrodiffusées à travers une région, composée de murs verticaux, de la couche épitaxiale surjacente. Le brevet des E.U.A N°3.379.584 décrit une autre méthode consistant à disposer un premier ensemble de régions 5 d'impuretés d'isolement à des emplacements désirés sur un substrat, à faire croître une première couche épitaxiale sur le substrat, à disposer un second ensemble de régions d'impuretés d'isolement dans la première couche épitaxiale en coïncidence avec le premier ensemble de régions, à faire croître une seconde couche épitaxiale au-dessus de la première couche épitaxiale, à disposer un 3 troisième ensemble de régions d'impuretés d'isolement dans la seconde couche épitaxiale en coïncidence avec les première et seconde régions, puis à soumettre l'ensemble de la structure à un traitement thermique de manière à rétrodiffuser les trois régions d'impuretés et à former les murs d'isolement verticaux désirés. Néanmoins, aucune des méthodes connues dans l'art antérieur ne résout le problè-5 me posé par la réalisation de murs d'isolement verticaux n'occupant qu'une partie minimum du matériau dont est fait le bloc à des profondeurs critiques à l'intérieur de ce dernier, permettant ainsi d'obtenir une densité maximum de composants actifs et isolés de circuits. Par exemple, si le composant isolé est un transistor épitaxial, ce sont les diffusions sous-collecteur et base à pro-D ximité respectivement des surfaces inférieure et supérieure de la couche épita- 71 00860 2 2077315 xiaie qui ont les plus grendes dimensions horizontales. L'obtention d'une densité maximum de composants exige que les murs d'isolement entre transistors adjacents présentent eux profondeurs des diffusions sous-collecteur et base une dimension horizontale minimum compatible avee l'obtention d'un isolement élec-5 trique adéquat. Le procédé de la présente invention permet d'obtenir des murs d'isolement verticaux ayant des dimensions- horizontales minimum et adjacents aux surfaces supérieurs et inférieure d'une couche épitaxiale composite dans laquelle les composants isolés du circuit doivent être formés. Ce procédé consiste à faire •30 croître une première couche épitaxiale d'un premier typa de conductivité sur un substrat semiconducteur du type ds conductivité opposé. Des régions d'impuretés d'isolement sont formées dans la première couche épitaxiale aux emplacements de surface désirés» On fait ensuite croître une seconds couche épitaxiale du même type de conductivité que la première coucha épitaxiale sur cette dernière avee •J5 rétrodiffusion concomitants des régions d'impuretés dans les deux couches épi-taxiales. On continue à fairs croître la seconde coucha épitaxiale jusqu'à ce que l'épaisseur "non diffusée8 (c5est à dire qui n'est pas affectée par la rétrodiffusion) ds la première coucha épitaxiale soit approximativement égale à 1'épaisseur, ren diffusée da la seconds eeuohs épitaxiale. Les régions d'impuretés 20 d'isolement sont ainsi situées au milieu environ ds l'épaisseur totale des couches spitaxiales combinées lorsque la croissance de 1s seconde couche épitaxiale prend fin. La structure semiconductrice est finalement soumis® à un traitement thermique supplémentaire qui continue la rétrodiffusion des régions d'impuretés jusqu'à ce qu'elles occupent la totalité de l'espace compris entre les surface 25 supérieure et inférieure des couches épitaxiales combinées, avec une concentration d® surface suffisante pour obtenir un isolement électrique adéquat. Les éta pas de es traitement thermique supplémentaire sont les mimas que celles que l'on emploie normalement pour la formation ds composants de circuits dans les régions isolées de la couche épitaxiale. Par exemple,, les étapes de masquage par oxyde 30 st ds diffusion base et émetteur pour former des transistors dans les régions isolées constituent un traitement thermique suffisant pour mener à bien la rétro diffusion des régions d'isolement. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention res-sortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à 35 ce texte, qui représentent un mode de réalisation préférée de celle-ci, La figura 1 représente un graphique indiquant le taux de croissance de la cou cha épitaxiale st les taux de rétrodiffusion de l'impureté d'isolement aux fins de l'étude d'une réalisation typique de la présente invention. Les figures 2 à 6 représentent des coupes successives d'un dispositif semi-40 conducteur monolithique construit conformément à la présente invention. 71 00860 3 2077315 On a représenté sur la figura 2, un substrat 4 da matériau semiconducteur d'un type da conductivité donné, sur lequel on fait croître une coucha épitaxiale 1 du type de conductivité opposé. Une région 3 d'impureté d'isolement du même type de conductivité que la substrat 4 est disposée dans la couche épitaxiale 1. 5 Par axenple, la région 3, la couche épitaxiale 1 et le substrat 4 peuvent Stre respectivement da types de conductivité p, n et p. Comme le montre la figure 3, on fait croîtra sur la couche épitaxiale 1 une couche épitaxiale 2 qui provoque une rétrodiffusion partielle de la région d'impureté 3 initiale dans la couche épitaxiale 2, et plus profondément dans la couche épitaxiale 1. La région d'im-40 pureté initiale est représentéepar la ligne pointillée 25. La croissance de la couchs épitaxiale 2 se poursuit jusqu'à ce que, , comme le montre la figure 4, l'on atteigne le point où l'épaisseur non diffusée 5 de la couche épitaxiale 2 est approximativement égale à l'épaisseur non diffusée 6 de la couche épitaxiale 1. Un traitement thermique ultérieur, du type normalement employé pour la fabri-15 cation de composants de circuits micro-électroniques dans les régions isolées des couches épitaxiales composites, permet de continuer la rétrodiffusion de la région 3 d'impureté initiale depuis la surface supérieure 7 de la couche épitaxiale composite jusqu'à la surface inférieure 8 de celle-ci, comme indiqué sur les figures 5 et 6. 20 Le graphique de la figure 1 permettra de comprendre le processus grâce ëuquel la région 3 d'impureté partiellement rétrodiffusée est amenée à occuper une position approximativement médiane dans la couche épitaxiale composite. Un ensemble de valeurs typiques de paramètres sont utilisées ci-après à titre d'exemple. La distance à l'intérieur des couches épitaxiales est tracée le long de l'axe 25 des abscisses 2B, les temps de diffusion et les temps de croissance épitaxiales étant tracés le long de l'axe des ordonnées 27. La figure 1 constitue une solution des relations mathématiques qui déterminent la valeur des épaisseurs des couches épitaxiales 1 et 2 et la rétrodifussion de la région 3 d'impureté pour donner la structure représentée sur la figure 4. 30 Dans le cas pris à titre d'exemple, on suppose que l'épaisseur totale désirée de la couche épitaxiale est de 7,5 microns et que la résistivité des deux couches épitaxiales 1 et 2 est de 0,1 ohm-cm, ces valeurs étant basées sur des considérations relatives à la conception de circuits micro-électroniques mobolithi- ques classiques. Les paramètres typiques de diffusion pour la région 3 d'impure- 20 35 té d'isolement comprennent une concentration de bore ae 3,5 x 10 atomes par cm3 et un temps de diffusion de 25 minutes à 1200°C. A partir ae ces valeurs, la profondeur de la région 3 d'impureté dans la couche épitaxiale 1 peut être calculée à l'aide de théories connues. Dans le présent exemple, cette profondeur est de 3,23 microns. On suppose par ailleurs que l'on fait croître la couche épi-40 taxiale 2 à un taux d'environ 0,75 microns par minute à une température de 1150t , 71 00860 4 2077315 ces valeurs pouvant être considérées comme typiques.A partir de la concentration connue de la région 3 d'impureté et dss paramètres connus de croissance de la couche épitaxiale 2, la rétrodiffusion de la région 3 d'impureté dans la couche épitaxiale 2, et plU9 profondément dans la couche épitaxiale 1, peut être calcu-5 lée en fonction du temps. Les résultats de ces calculs apparaissent dans la tabla ci-après: Temps de croissance de la couchs épitaxiale 2 10 {minutes) Rétrodiffusion dans la couche épitaxiale 1 (microns) Rétrodiffusion dans la couche épitaxiale 2 (microns) 1 3,25 0,36 2 3,27 0,50 15 3 3,23 0,62 4 3,31 0,71 5 3,33 0,80 B 3,35 0,87 20 !-a rétrodiffusion, résultant de la température afférente à la croissance de la couche épitaxiale 2 de la région 3 d'impureté dans la couche épitaxiale 1 est représentée par la courbe 9 de la figure 1j la rétrodiffusion des impuretés dans la couche épitaxiale 2 pendant le même temps, par la courbe 1Ds et la croissance de la couche épitaxiale 2 en fonction du temps, par la courbe 11. L'axe 25 des ordonnées 27 peut être considéré comne représentant la surface supérieure de la couche épitaxiale 2, et la ligne 13 (parallèle à l'axe 27) comme représentant l'interface; entre la couchs épitaxiale 1 st le substrat 4 des figures 2 à 6. Les courbes 3 et 10 de la figure 1 sont tracées conformément aux valeurs données à titre d'exemple dans la table ci-dessus. 30 Comme on peut le constater, il existe pour les courbes données 3, 10 et 11 urv instant où la croissance de la couche épitaxiale 2 et la rétrodiffusion de la région d'impureté dans les couches épitaxiales 1 et 2 satisfont la condition représentée sur la figure 4, c'est à dira, où l'épaisseur non diffusée 6 de la couche épitaxials 1 est approximativement égale à l'épaisseur non diffusée 5 de 35 la couche épitaxiale 2. Dans le cas ir h fcitrs d'exemple* cette condition est satisfaite après avoir fait croître la couche épitaxials 2 pendant 3,24 minutes lorsque l'épaisseur non isolée de chacune des couches épitaxiales 1 et 2 est égale à 1,76 micron . Au même moment, les épaisseurs isolées 28 et 23 des couches épitaxiales 1 et 2 sont respectivement égales à 3,23 microns et 0,65 micron. 40 On notera qu'un traitement thermique supplémentaire est nécessaire pour paur- BAD OBIG'nal 71 00860 5 2077315 suivre rétrodiffusion de la région 3 d'impureté jusqu'à ce qu'elle traverse complètement la couche épitaxiale composite constituée par les couches 1 et 2 comme indiqué sur les figures 5 et 6. Une caractéristique du présent procédé est que la rétrodiffusion supplémentaire requise peut être obtenue en temps utile en 5 tant que conséquence directe des étapes du traitement classique permettant de former des dispositifs semiconducteurs à l'intérieur de la région isolée de la couche épitaxiale composite. Comme le montre la figure 5, par exemple, on fait croître une couche 14 de dioxyde de silicium au-dessus de la surface supérieure 7 de la couche épitaxiale composite pour obtenir un masque pour la diffusion •jO base du transistor 15 de la figure B. Le traitement thermique associé à la croissance de la couche 14 de dioxyde de silicium permet de poursuivre la rétrodiffusion de la région d'impureté 3 jusqu'à ce qu'elle traverse la quasi-totalité de l'épaisseur de la couche épitaxiale composite. Il est évidemment souhaitable de continuer la rétrodiffusion d'impuretés jusqu'à ce que la concentration d'impu-15 retés à la surface 7 soit suffisante pour neutraliser d'éventuelles inversions de surface et pour assurer un isolement électrique efficace. Une concentration iâ 3 de surface de l'ordre d'au moins 10 atomes par cm est suffisante pour obtenir ce résultat. Ladite concentration de surface est corrmodément obtenue à la fin des étapes classiques des diffusions base et émetteur pour obtenir la struc-20 ture représentée par la figure 6. Il convient d'observer à propos de la figure 6 que les murs d'isolement 1B et 17 sont caractérisés par une diminution de leurs dimensions horizontales d'-'une part, au-dessus du niveau représenté par la ligne de référence 18, laquelle indique là profondeur de la jonction 19 collecteur du transistor 15, et, d'au-25 tre part, au-dessous du niveau indiqué par la ligne 20, laquelle coïncide avec la profondeur occupée par le sous-collecteur enterré 21. Cette diminution des dimensions horizontales permet de rapprocher les murs d'isolement 16 et 17 du transistor 15 dans une configuration de densité maximum des dispositifs. On notera également que la dimension horizontale maximum des murs d'isolement 30 16 et 17 se situe au niveau de l'interface 22 entre la première et la seconde couche épitaxiale. Néanmoins, les dimensions horizontales maximum des composants à isoler se situent au niveau d'autres lignes, telles que les lignes 18 et 20. De la sorte, la forme des murs d'isolement verticaux réalisés grâce au procédé de la présente invention complémente le profil de diffusion du composant à isoler 35 la dimension horizontale maximum du mur et la dimension horizontale minimum du composant étant juxtaposées et vice versa. Il en va de même si, au lieu du transistor représenté sur les figures 2 à 6» d'autres composants de micro—circuits tels que des résistances, des diodes ou des condensateurs diffusés sont introduits dans la région isolée. Dans chaque cas, la diffusion horizontale inévitable 40 accompagnant la diffusion verticale désirée de la région d'impureté est concen 71 00860 6 2077315 trée à une profondeur non critique à l'intérieur de la couche épitaxiale composite afin de permettre une utilisation optimum du matériau semiconducteur disponible pour les composants actifs du micro-circuit. Le présent procédé est particulièrement avantageux dans le cas de conceptions comportant des films épitaxiaux 5 épais autorisant des tensions continues de claquage plus élevées et des bases plus larges que celles permises par les techniques de diffusion d'isolement de l'art antérieur. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéeistiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réali-10 sation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre et de la portée de ladite invention. 71 00860 7 2077315 REVENDICATIONS 1.~ Procédé da réalisation de murs d'isolement à l'intérieur d'une couche épitaxiale semiconductrice composite d'un type de conductivité donné sur un sub- 5 strat semiconducteur de l'autre type de conductivité, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: réaliser ledit substrat; faire croître sur ledit substrat une première couche épitaxiale dudit type de conductivité donné» 10 disposer des régions d'impureté de l'autre type de conductivité dans ladite première couchs épitaxiale à des emplacements de surface désirés; faire croître une seconde couche épitaxiale dudit type de conductivité donné sur ladite première couche épitaxiale à une température et pendant une période telle qu'elle provoque, jka rétrodiffusion partielle des dites régions dans les 15 dites première et seconde couches épitaxiales jusqu'à ce qu'il reste des régions non diffusées d'épaisseurs approximativement égales dans les dites première et seconde couches épitaxiales; et interrompre la croissance de ladite seconde couche épitaxiale à l'expiration de ladite période. 20 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un traitement thermique supplémentaire des dites régions partiellement ré-trodiffusées pour achever ladite rétrodiffusion au travers des dites régions non diffusées de façon à former à travers ladite couche épitaxiale composite des 25 murs d'isolement allant dudit substrat à la surface de ladite seconde couche épitaxiale qui est la plus éloignée dudit substrat. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la diffusion d'impuretés supplémentaires dans les régions de ladite couche 30 épitaxiale composite isolées par les dits murs pour former à l'intérieur de celles-ci des dispositifs de microcircuits, ledit traitement thermique supplémentaire comprenant le traitement thermique requis pour la diffusion des dites impuretés supplémentaires. 35 4.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la diffusion d'impuretés supplémentaires dans les régions de ladite couche épitaxiale composite isolées par les dits murs pour former dans celles-ci des dispositifs de microcircuits, ledit traitement thermique supplémentaire consistant dans le traitement thermique requis pour la diffusion des dites impuretés 40 supplémentaires. 71 00860 8 2077315 5.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit traitement thermique supplémentaire est poursuivi jusqu'à ce que la concentration d'impureté tés» des régions rétrodiffusées d'impuretés, à la surface de ladite seconde cou- i S che épitaxiale la plus éloignée dudit substrat soit de l'ordre d'au moins 10 atomes par cm3.