Brevet FR2080967A1 — publié le 19711126

La présente invention concerne dss procédés de fabrication de dispositifs semiconducteurs, et plus particulièrement des procédés d'introduction d'impOretés dans des matériaux semiconducteurs monocristallins de façon à obtenir des profils d'imp@reté presque idéaux. Des transistors à haute performance, plus particulièrement des transis tors utilisés dans les ordinateurs, doivent avoir une réponse en haute fréquence associée à un gain important. De façon à obtenir ces caractèristiques de fonctionnement, il est bien établi que la structure du transistor doit avoir [1) une largeur de base étroite, (2) un dopage élevé de la base, (3) une faible capacité ds l'émetteur neutre et (4) une résistance de base faible. Dans la fabrication des transistors, pour essayer d'atteindre ces objectifs on doit aboutir à un compromis. Bien que la base des transistors doit entre relativement étroite, elle ne devra pas entre réduite au-delà d'une limite où des communications collecteurrémetteur pouvaient se produire. Le dopage de la base intégrée, la capacité de l'émetteur et la résistance de base sont directement influencés par la distribution de l'impureté à l'intérieur de la région base, c'est-à-dire par le type de profil délivré.Tandis que l'augmentation de la concentration de l'impureté dans la base réduit la résistance de la base, il existe cependant une limite puisque l'effet tunnel à la jonction base-émetteur peut se produire pour des concentrations élevées d'impflretés, ce qui réduit le gain du transistor. De façon à obtenir un dopage élevé de la base intégrée et une faible capacité d'émetteur, le profil le mieux adapté aux transistors est un profil "carré", Un profil carré cor rsspond à une concentration d'impflretés uniforme sur toute la profondeur du corps semiconducteur. Un autre avantage que donne le profil carré est de réduire l'effet "Kirk" augmentant ainsi la réponse en fréquence du dispositif. Une autre application pour laquelle le profil d'impûretés 'carré" est souhaitable est la fabrication des résistances diffusées qui sont utilisés dans les dispositifs de circuits intégrés. On a bien établi que l'électromigration, dans les terminaux en métallurgie connectés aux dispositifs, se produit plus vraisemblablement dans les régions de contraintes de courant élevées. Le courant est plus uniformément distribué sur la surface d'un contact qai est en contact avec une région diffusée, ayant une distribution d'imptretés uniforme, que sur une résistance ayant une concentration de surface élevée et un profil généralement caractérisé comme un profil ds distribution d'erreurs. Les techniques de diffusion utiliséss généralement dans le silicium pour la diffusion de base dans la technologie planaire entratnent un profil qui ressemble à la courbe de distribution d'erreurs, c'est-à-dire, ayant une concentration de surface qui décrott vers l'intérieur. Dans un transistor, ce type de profil est beaucoup moins souhaitable que le profil carré idéal pour les raisons dont on a parlé précédemment. Un objet de cette invention consiste en un procédé de réalisation d'une région diffusée dans un corps semiconducteur ayant un profil essentiellement carré. Un autre objet de cette invention consiste en un procédé de diffusion d'une région de base étroite dans un transistor et d'obtenir un profil d'impuretés fortement intégrées. Un autre objet de cette invention a trait à un procédé de fabrication dsun transistor ayant une réponse en fréquence élevée aussi bien qu'un gain élevé. Ces objets sont réalisés par le procédé de I'invention qui permet l'in troduction d' au moins une impûreté dans le corps semiconducteur et ce, à des températures élevées et pour une concentration de la région de la surface qui excède la limite de solibilité active électrique de I'impOreté dans le semiconducteur à la température ambiante, On refroidit ensuite le semiconducteur résultant JusquOd la température ambiante pour précipiter l'impureté en excès de la solubilité active électrique et pour obtenir ainsi un matériau inactif à l'électricité et un profil essentiellement carré. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure I est un graphique du profil d'impûretés d'un dispositif semiconducteur eprésentant à la fqis le profil de base carré réalisé par le procédé de la présenteinvention et un profil classique réalisé par des méthodes de diffusion connues. La figure 2 représente sn coupe verticale, deux étapes du procédé de fabrication dun dispos-ltif semiconducteur selon l'invention. La figure 3 qui est un graphique représentant le profil d'impuretés dans un corps de silicium, de deux types de régions diffusées au bore illustre les limites des tschniques de diffusion connues. La figure 4, qui est un autre graphique représentant le profil d'impt- retés don profil "carré" dans un corps de silicium, caractérise un profil réalisé par le procédé de l'invention. La figure 5 est la coupe verticale d'une résistance, ce qui permet de comparer le profil carré obtenu par le procédé de l'invention et un profil classique obtenu par des techniques de diffusion connues. La figure 5a est une comparaison du profil de la résistance de la figure 5. La figure 6 est un graphique du profil d'imptretés d'un dispositif semiconducteur réalisé dans un corps de germanium selon le procédé de l'invention. Dans un transistor il est très souhaitable que la réponse en fréquence soit aussi élevée que possible. La réponse en fréquence et le gain sont tous deux fonction d'une part de la largeur de la base et, d'autre part de la quantité d'impflretés et la distribution de ces impuretés à l'intérieur de la base, ce que l'on appelle en général dopage de la base intégrée. Pour obtenir un gain et une réponse en fréquence élevée, la largeur de la base doit Entre aussi mince que possible et avoir un dopage de base intégré élevé. Cependant, l'augmentation du dopage de la base intégrée augmente en général la concentration sur les parois de la jonction base émetteur diminuant ainsi la chute de tension. Ceci n'est pas souhaitable puisqu'il diminue le gain du transistor. En se- référant maintenant à la figure 1, la courbe 10 décrit le profil de base classique d'un transistor obtenu par diffusion de bore dans une tranche de silicium. La largeur de base d'un tel dispositif est indiquée par W1. Le profil de base 12 décrit le type de profil que l'on obtient par le procédé de la présente invention. Comme indiqué, le profil 12 a une forme se rapprochant de celle dite Zen palier". La largeur de la base est indiquée par W2, qui, comparé à la largeur de base W1 est considérablement plus étroite. Ceci est particulièrement significatif quand on considère que la quantité totale de dopant dans la base est approximativement la meme dans les deux cas meme si la base indiquée par le profil 12 est beaucoup plus étroite. La quantité de dopant est grossièrement indiquée par la surface se trouvant au-dessous des courbes de profil respectifs. Le profil du transistor est complété par le profil 14 de l'émetteur et le profil 16 du collecteur. L'analyse et la théorie du transistor ainsi que son fonctionnement sont très complexes. Une simplification de cette théorie, suffisante pour décrire au moins en partie cette invention, est donnée par l'expression indiquant que le gain d'un transistor est proportionnel à Cse où Cse représente la concentration de l'impûreté de surface de Csb la région émetteur et Csb représente la concentration d'impureté de surface de la base. Ainsi pour obtenir un gain élevé, Cse doit être aussi élevé que possible; et Csb doit être aussi faible que possible, avec des contraintes imposées par d'autres phénomènes et limites physiques des techniques du procédé. La limite supérieure de Cse, dans le silicium utilisant les meilleurs dopants disponibles, comme par exemple le phosphore et l'arsenic, est de l'ordre de 1021 atomes/cm3. Pour Csb, une concentration d'impûretés de surface inférieure à 5 x i018 atomes/cm3 conduira à une inversion de surface qui est très préjudiciable et doit être évitée. Ainsi, pour des considérations pratiques, Csb dans le silicium doit autre de l'ordre de 7 x 1018 à 3 x 1019 atomes/cm3. Ces concentrations d'impûretés pour la base et l'émetteur varieront pour les différents matériaux semiconducteurs. Par exemple, dans le germanium, pour les mêmes raisons données précédemment, Cse ne dépassera pas de façon appréciable 5 x 1020 atomes/cm3 et Csb doit se être de l'ordre de 5 x 1019 à 2 x 1019 atomes/cm3. Comme illustré dans la figure 1, un profil carré donnera une région avec t1) une quantité plus grande d'impûretés résultant en une résistivité plus faible, et (2) à la jonction un gradient d'impéretés plus élevé que celui obtenu par un profil correspondant à une courbe de distribution d'erreurs. Un gradient d'imporetés élevé accroft la tension de "mise en communication collecteur-émetteur" (appelé, dans la littérature anglo-saxonne tension de "punch-through"), ce qui en soi même n'augmente pas le gain du transistor, mais permet la réalisation d'un transistor ayant une région base intrinsèquement moins épaisse.La région de base plus mince, cependant, entrasse un gain supérieur et une réponse en fréquence plus élevée, ces deux caractéristiques étant très souhaitables. L'augmentation de la quantité totale d'im portés dans la région de base diminue la capacité neutre pour les régions "émetteur-base" et 'base-collecteur', augmentant ainsi la réponse en fréquence. Se référant maintenant à la figure 3, il est décrit deux profils corre"- pondant à deux régions de diffusion de bore dans un corps de silicium monocristallin. La courbe 18 est un profil décrivant la concentration d'impflretés physiquement présente lorsque les conditions de diffusion produiseet, pour le bore une concentration de surface supérieure à l'impureté électriquement active à la température ambiante. La courbe 18 peut entre déterminée par une analyse chimique.La courbe 20 indique la concentration de l'impureté électriquement active à la température ambiante comme elle peut entre déterminée par une sonde à résistance étalée ou par toute autre technique similaire qui mesure seulement la quantité d'impûretés ayant une action dans les opérations classiques du transistor. La zone hachurée 21 décrit l'impureté se trouvant dans la région diffusée mais qui ne participe pas au fonctionnement du transistor, de la résistance ou de la diode. Ce matériau est rendu électriquement inactif par quelques mécanismes encore mal connus. On notera que la courbe 20 correspond généralement à la fonction en palier, c'està-dire à un profil carré, mais la concentration de l'impureté de surface et aussi la concentration au-dessous de la surface est de l'ordre de 2 x 1020 atomes/cm3.Cette valeur est bien au-dessus de Csb qui est de l'ordre de 7 x 1018 à 3 x 1019 atomes/cm3 dont on a parlé précédemment. Lorsque le bore est diffusé à une pression de vapeur moindre pour produire une concentration inférieure à la solubilité électriquement active, on trouve une courbe de profil 50 ayant la forme d'une courbe de distribution d'erreurs. Ainsi, le bore ne permet pas d'obtenir un profil carré ayant un maximum Csb. La figure 4, représente le profil 52 de type carré désiré dans un silicium ayant une concentration de. surface de l'ordre de 1019 atomes/cm3. Ce profil peut autre réalisé en choississant et en utilisant une impureté telle que la valeur du rapport: Concentration de solubilité de l'impureté à la température de diffusion Concentration de solubilité électriquement active à la température de fonctionnement. soit ds l'ordre de 1,5 à 5. Le Csb peut être da i'ordre da 7 x 1018 à 3 x 1019 atomes/cm3 dans les conditions optimum. Le tableau suivant donne trois éléments d'impûreté adéquats soit Ga, A1, et l'indium et leurs solubilités respectives en atomes/cm3. SOLUBILITE MAXIMUM DANS LE SILICIUM (atomes/cm3) Températures Impûreté 900 C 1000 C 1100 C 1200 C Solubilité Max. Gallium 2x1019 2,8x1019 3.5x1019 4x1019 4x1019 Aluminium 1,4x1019 1,8x1019 2x1019 ------ 2x1019 Indium --------- -------- ------- ------ 1019 A titre de comparaison la solubilité maximum du bore dans S est de 5 x 1020. Le rapport défini ci-dessus pour le @ore est de l'ordre de 50. La figure 6 représente une courbe de profil optimum pour un transistor au germanium. Les mêmes considérations s'appliquent por choisir les impuretés qui permettent d'obtenir des profils de type carré, et des concentrations d'impûreté de surface électriquement active, comme cela a été oxpliqué pour le silicium. Comme représenté par la courbe 54, la concentration de surface dans la région émetteur, sera de l'ordre de 3,5 x 1020 à 5 x 1020 atomes/cm3. et la concentration de surface dans la région émetteur représentée par la courbe 56 de l'ordre de 5 x 1018 à 2 x 1019 atomes/cm3. Ga et Al peuvent être utilisés comme impûreté d'émetteur et l'antimoine comme impureté de la région base. Ces impûretés satisfont au rapport sus-mentionné, dont les valeurs sont dans l'ordre prémentionné. Le tableau suivant donne la solubilité S0LUBILITE MAXIMUM DANS Ge (atomes/cm3) Températures en C Impûreté 400 C 500 C 600 C 700 C 800 C Al ----- 4x1020 4,1x1020 4,1x1020 ---- Ga 3,5x1020 ------ 4,8x1020 5x1020 ---- Sb ------- ------ 6x1018 ------ 1,2x1019 La figure 2 représente les étapes 1 et 2 illustrant le procédé de l'invention. Une couche 24 de SiO2 est déposée sur la surface supérieure du corps semiconducteur 22. Ensuite, une couche 26 de nitrure de silicium est réalisée sur la surface supérieure de la couche 24 et une ouverture 27 est pratiquée par des techniques de décapage classiques pour définir la zone de la base.La tranche est alors placée dans une capsule qui renferme un matériau semiconducteur divisé dopé au gallium. Après chauffage, le gallium présente une pression de vapeur à l'intérieur de la capsule et se diffuse à travers la couche 24 exposée par l'ouverture 27. La région 23 est alors réalisée. La température de diffusion et la concentration de la source de dopant qui entraîne la pression de vapeur à l'intérieur de la capsule sont très soigneusement choisies de façon que la concentration d'impureté dans la région diffusée résultante excède la solubilité de la diffusion résultante à la température ambiante. Après diffusion et refroidissement à la température ambiante, la profil effectif du matériau électriquement actif suppose une forme carrée ou une forme de fonction en palier.Ultérieurement, comme indiqué dans l'étape 2 de la figure 2, une ouverture 25 est réalisée dans la couche 24 et on effectue une seconde diffusion du type opposé d'impureté pour réaliser la région d'émetteur 28. La région émetteur 28 peut être réalisée par une diffusion en capsule. L'émetteur est de préférence réalisé par diffusion sn capsule dune impûreté As ayant une concentration de surface supérieure à 1020 atomes/cm3. Ceci entraînera une courbe de profil essen tellement carrée conformément au procédé décrit dans la demande de brevet déposé en Franco par la demanderesse le 26 Mars 1970 sous le n de PV 7011056. On comprendra que les différentes diffusions peuvent être réalisées par des techniques de fdiffusion en tube ouvert ou des techniques de verre dopé si on le désire. L'environnement de la diffusion doit être choisi de sorte que la concentration de surface de l'impûreté excède la solubilité à la température de fonctionnement du dernier dispositif. Ceci réalise un profil carré. Les deux région de base et d'émetteur peuvent titre réalisées par des procédés de diffusion simultanés en déposant la couche 24 et la couche 26 et en gravant la fenêtre émetteur 25 avant de réaliser la région de base 23. La tranche 22 équipée de ses fenêtres de base et d'émetteur peut alors être placée dans une capsule comportant une source renfermant du gallium et un dopant pour I'émetteur, en général de l'arsenic. En chauffant la capsule, on obtient la pression de vapeur du gallium et de l'arsenic désirée. Le gallium diffuse au travers de la couche 24 et l'arsenic seulement à travers la fenêtre 25. Les impûretés doivent entre choisies de sorte que la vitesse de diffusion de l'impureté de base soit supérieure à celle de l'impureté de la région émetteur. En outre, la source doit entre capable de produire des pressions de vapeur telles que la région émetteur ait une concentration supérieure à la région base. Comme expliqué ci-dessus, de façon à obtenir das distributions d'impureté à fonctions en palier aux températures de fonctionnement du dispositif, il est important de diffuser dans le silicium ou dans le germanium, des impuretés dont la concentration à la surface est aussi élevée que la limite de solubilité solide aux températures de diffusion. Le bore ne convient donc pas parce que ses limites de solubilité solide aux températures de diffusion excèdent de beaucoup la concentration de surface nécessaire en 3 génXral, soit 7 x iolB à 3 x 1019 atomes/cm . Les impuretés telles que le gallium, l'aluminium, et l'indium donnent des fonctions en palier après diffusion parce que leur limite de solubilité solide est beaucoup plus proche de la concentration de surface nécessaire mentionnée ci-dessus. Les techniques de diffusion adéquates pour le gallium sont les techniques à capsule sous vide, les techniques de dopage d'oxyde pyrolitique, et des techniques de diffusion d'oxyde de gallium en tube ouvert et la technique utilisant le procédé de source *à peindrez (appelée dans la littérature anglo-saxonne "paint-on". La technique de source là peindreZ est en général réalisée dans une atmosphère non oxydante en tube ouvert. La technique de diffusion d'oxyde de gallium en tube ouvert nécessite la réduction du Ga203 par l'hydrogène ou le monoxyde de carbone de façon à donner le corps volatile Ga20, qui formera une couche de verre sur le substrat. Pour l'aluminium et l'indium, la technique préférée est la technique de capsule sous vide. La source de diffusion de cette technique est constituée par des poudres de silicium et de dioxyde de silicium diffusée avec de l'aluminium et de l'indium jusqu'à la limite de saturation à la température de diffusion. Une autre application du procédé de l'invention est représentée dans la figure 5. La figure 5 représente une résistance diffusée 30 pour un dispositif semiconducteur. La nouveauté de cette résistance 30 réside dans la région diffusée 32. réalisée conformément au procédé selon l'invention. Cette région a un profil 34 représenté dans la figure 5A. La figure 5A décrit un profil classique 36 réalisé par des procédés de diffusion classique. Comme indiqué dans la figure 5A, le profil 34 se rapproche d'un profil en palier. La résistance 30 possède une couche de passivation 38 sur la surface supérieure de la tranche 22 et des terminaux 40 et 42 qui établissent un contact avec la région diffusée 32 à travers les ouvertures 41 et 43 respectivement. La résistance 30 comporte une résistance à bande métallique améliorée pour permettre I'électromigration. La défectuosité de la bande due à l'électromigration se produit plus vraisemblablement dans les régions à haute contrainte de courbe et de préférence près des contacts. Avec la région diffusée 32 dans laquelle l'impureté est plus uniformément répartie, le courant est plus uniformément distribué sur la zone des contacts. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation 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 de ladite invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication, dans un corps semiconducteur planaire, d'une région de base diffusée présentant une concentration d'impûreté relativement uniforme et un gradient d'impûreté net et profond adjacent à la jonction inférieure, caractérisé en ce que le profil d'impûreté est semblable à une courbe en palier, et en ce qu'il comprend:: l'introduction d'une impûreté dans le corps semiconducteur à une température élevée avec une concentration qui excède la solubilité solide de l'impureté dans le semiconducteur à la température de fonctionnement, ladite impûreté de base étant choisie de telle sorta que le rapport de la valeur de sa limite de solubilité solide à la temuérature de diffusion et de-la concentration d'impûreté de surface désirée de ladite base à la température de fonctionnement du dispositif est de l'ordre de 1,5 à 5,0 et le refrqidissement du corps semiconducteur jusqu'à la température ambiante pour rendre électriquement inactives les impuretés qui correspondent à un excès de la solubilité solide. 2.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'impureté est choisie dans la famille comprenant l'aluminium. l'indium et le gallium et en ce que le corps semiconducteur est du silicium. 3.- Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la concentration d'impureté désirée à la surface de la base est de l'ordre de 7 x 1018 à 3 x 1019 atomes/cm3 4.- Procédé selon les revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce qu'une seconde région diffusée est réalisée, à l'intérieur de la premiers région mentionnée, en diffusant de l'arsenic conme impûreté à une tension de vapeur suffisante pour produire une concentration de surface supérieure à 1020 atomes/cm3. 5.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'impureté est de l'antimoine et en ce que le corps semiconducteur est du germanium. 6.- Procédé selon la revendication 5 caractérisé sn ce qu'une deuxième diffusion est réalisée pour former une région diffusée à l'intérieur de la région de base, cette nouvelle région diffusée constituant la région d'émetteur du transistor. 7.- Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'impureté diffusée dans la région d'émetteur est choisie dans la famille comprenant l'aluminium et le gallium. 8.- Transistor semiconducteur à haute performance caractérisé en ce qu'il comprend: une région de collecteur, une région de bass située à l'intérieur de la région de collecteur et comportant une impûreté choisie dans la famille comprenant l'aluminium, l'indium, le gallium et les mélanges de ces corps la concentration d'impo- reté de surface étant de l'ordre de 7 x 1018 à 3 x 1019 atomes/cm3, et le profil d'impûreté étant semblable à une fonction en palier, et une région d'émetteur en contact étroit avec la région de base. 9.- Dispositif semiconducteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que la région d'émetteur renferme comme impûreté, de l'arsenic, ayant une concentration de surface supérieure à 1020 atomes/cm3. 10.- Dispositif semiconducteur planaire à haute performance caractérisé en ce qu'il comprend: une région de collecteur, une région de base renfermant comme impûreté, de l'antimoine, et une région d'émetteur, en contact électrique étroit avec la région de base, ayant une concentration d'impûreté de surface de l'ordre de 3,5 x1020 à 5 x 1020 atomes/cm3. 11.- Dispositif semiconducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que émetteur est dopé avec une impureté choisie dans la famille comprenant le gallium et l'aluminium.