Brevet FR2090259A1 — publié le 19720114

La présente invention se rapporte à des dispositifs semi-conducteurs et concerne plus particulièrement un procédé pour déterminer le potentiel de surface de ces dispositifs% On sait qu'un grand nombre de dispositifs semi-conduc-5 teurs comportent une couche de matière isolante, généralement de bioxyde de silicium, située à la surface d'un corps de matière semi-conductrice, et qu'à cette couche isolante est associée une charge positive qui influence le potentiel de surface de ce corps semi-conducteur. C'est ainsi, par exemple, que dans les 10 dispositifs utilisant des matières semi-conductrices du type p, la présence de charges positives dans la couche isolante de couverture attire les électrons vers la surface de la matière semi-conductrice, diminuant ainsi la concentration des porteurs élec-trisés p et donnant, dans certains cas, naissance à une couche 15 d'inversion à la surface du semi-conducteur. Dans certaines applications, ces effets sont indésirables car ils gênent la fabrication et le fonctionnement des dispositifs exigeant des régions de surface de type p, ou bien constituent des voies de fuite entre les régions n autrement isolées qui sont espacées 20 le long de la surface de la matière semi-conductrice p. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel : 25 - la Fig. 1 est une vue en coupe d'un corps semi conducteur comportant "une couche isolante ; - la Fig. 2 est une vue en coupe d'un corps semiconducteur ayant deux couches isolantes ; - la Fig. 3 est un graphique montrant la variation 30 de la conservation des charges en fonction de la température à laquelle la couche de nitrure de silicium est déposée ; et, - la Fig. 4 est une vue en coupe d'un dispositif réalisé conformément à l'invention. En se référant à la Fig. 1, on voit un substrat 10 de 35 matière semi-conductrice, par exemple, de silicium portant une couche 12 de bioxyde de silicium. 71 18567 2090259 On sait que la couche de bioxyde de silicium 12, indépendamment de la manière dont elle a été formée, est associée à une charge positive qui est présumée résulter de la présence de lacunes distribuées à travers cette couche. Cette charge positi-5 ve attire les'électrons vers la surface 14 du substrat 10, produisant ainsi une étroite région superficielle 16, figurée par une ligne en tirets sur la Fig. 1, où la densité d'électrons est supérieure à celle qu'elle aurait été si elle n'avait été déterminée que par le degré particulier de dopage de la matière semi-10 conductrice considérée. C'est ainsi, par exemple, que si le substrat semi-conducteur 10 a été uniformément dopé avec du bore à une concentration de 10^5 atomes/cm^, la concentration des électrons dans la masse est de 10^/cm^. Or, à la surface du substrat, 20 *5 la concentration des électrons peut atteindre 10 /cm . 5 Selon la présente invention, on a découvert qu'en com binant \me mince couche 12 (Fig.2) de bioxyde de silicium à la surface 14 du corps de matière semi-conductrice 10 avec une couche 20 de nitrure de silicium superposée à cette couche de bioxyde de silicium 12, et en sélectionnant judicieusement la tem-20 pérature à laquelle cette couche de nitrure de silicium est déposée, la densité des porteurs électrisés peut être déterminée entre des limites étendues dans les couches 12 et 20. Plus précisément, par des moyens indiqués, la valeur et la nature de la charge résultante des couches 12 et 20 peuvent être déterminées 25 avec précision, de sorte que le potentiel de surface du corps 10 peut être sensiblement modifié, comme on le désire. C'est ainsi, par exemple, qu'en choisissant la température à laquelle la couche de nitrure de silicium 20 est déposée, le potentiel de surface du corps 10 peut être rendu plus positif ou plus négatif 30 qu'il n'aurait été sous la seule action des impuretés qui y sont incorporées. Bien qu'on n'en soit pas sûr, on suppose que la charge résultante est " piégé# ou conservée près de l'interface entre les couches d'oxyde et de nitrure de silicium. Par "mince couche" de bioxyde de silicium, on entend 35 une couche que les porteurs électrisés peuvent traverser par "effet Tunnel" c'est-à-dire, une couche dont l'épaisseur est O inférieure à 50 A . Bien qu'on nfen soit pas sûr, on présume que 71 18567 2090259 les mécanismes grâce auxquels les résultats décrits ci-contre sont obtenus impliquent la réalisation d'un état d'équilibre thermique dans la structure composite des deux couches 12 et 20 et du corps 10. La couche de bioxyde de silicium, qui est assez 5 mince pour permettre le passage des électrons conformément à la mécanique quantique et qui, par conséquent, est essentiellement transparente au courant d'électrons qui la traverse, est apparemment nécessaire pour permettre à la condition d'équilibre de s * établir._ 10 La couche de bioxyde de silicium peut être produite par des procédés de croissance thermique connus impliquant, par exemple, un chauffage du corps 10 à une température de 600°0 dans de la vapeur d'eau. La couche de nitrure de silicium 20 peut être déposée 15 par le procédé connu impliquant une réaction en phase de vapeur entre du silane (SiH^)et de l'ammoniac (KH^), le rapport ammo-niac/silane étant de l'ordre de 10 000/1. La température à laquelle le procédé est exécuté, température dont la variation permet de sélectionner la charge résultante des couches 12 et 20 20 est liée à la température à laquelle le corps 10 est chauffé. L'épaisseur de la couche de nitrure 20 n'a, tout au plus, que peut d'effet sur l'obtention de la conservation désirée des charges, l'épaisseur choisie pour la couche de nitrure 25 20 étant fonction du dispositif particulier à produire et des caractéristiques qu'il doit avoir. Des épaisseurs de l'ordre O de 350 à 750 A sont typiques. La Fig.3 est un graphique montrant la relation entre la charge résultante des couches 12 et 20 et la température à 350 laquelle la couche de nitrure de silicium 20 a été déposée. Sur ce graphique, on a porté en ordonnée la grandeur et le signe de la charge, et en abscisse, la température, en °C, à laquelle la couche de nitrure de silicium.20 est déposée. Ces données se rapportent à une structure dans laquelle la couche 35 de bioxyde de silicium a une épaisseur de 20 A , L'action des charges conservées dans ou associées à une couche isolante (ou à des couches formant une "couche" 71 18567 4 2090259 composite) sur un corps semi-conducteur est généralement connue. C'est ainsi, par exemple, que l'action de cette charge sur la tension de plate-bande d'un corps semi-conducteur est donnée (approximativement et en faisant abstraction des différences de 5 potentiels de'contact résultant de l'utilisation d'électrodes pour effectuer les mesures) par l'équation suivante : V » - S! x 1,8 x 10 fb g où : est la tension de plate-bande en volts, -10 Q est la densité de charges associées à la couche isolante en charges/cm^ O t est l'épaisseur de la couche isolante en A et, est la constante diélectrique relative de la couche isolante. t 15 La tension de plate-bande V„ est la tension externe fb qui doit être appliquée entre la face supérieure ou découverte de la couche isolante et le corps semi-conducteur pour neutraliser l'effet de la charge associée à cette couche isolante. Comme l'on sait, cette tension de plate-bande a un rapport spécifi-20 que avec les caractéristiques de fonctionnement de certains dispositifs semi-conducteurs, par exemple, avec la tension de seuil des transistors à effet de champ. En se référant à la Fig.4, on voit un dispositif semiconducteur 40 auquel la présente invention a été appliquée. Ce 25 dispositif 40 comprend un substrat 42 de matière semi-conductrice p ayant une résistivité globale uniforme de 10 Q /cm et deux composants semi-conducteurs séparés 44 et 46 formés près de la surface 55 du substrat 42. Chaque composant d'un transistor à effet de champ à grille isolée comprenant une source 50 et des 30 régions de drain 52, de type n et une région de canal 54 de type p. La surface 55 du substrat est couverte, à chacun des composants 44 et 46, d'une première couche 56 de bioxyde de silicium qui, de son côté, est couverte par une seconde couche 58 de nitrure de silicium. A travers les ouvertures des couches 35 56 et 58 s'étendent, à chaque composant, une électrode de source 60 connectée à la région de source 50 et une électrode de 71 18567 2090259 drain 62 connectée à la région de drain 52. Une électrode de grille 64- couvre la région de canal 54- de chaque composant, au-dessus de la couche de nitrure de silicium 58. La surface 55 du corps de silicium est couverte, entre 5 les composants 44- et 46, d'une première couche 68 de "bioxyde de silicium qui, de son côté, est couverte d'une seconde couche 70 de nitrure de silicium. Les diverses électrodes peuvent être en aluminium, en or, en silicium fortement dopé, etc. 10 En l'absence de la couche de nitrure de silicium 70 couvrant la couche 68 de bioxyde de silicium comprise entre les composants 44 et 46, on s'est heurté dans le passé, à une difficulté résultant de la charge positive associée à la couche de bioxyde de silicium 68, laquelle est susceptible d'inverser le 15 mode de conduction de la surface du sbustrat 42, c'est-à-dire, de former un canal de type n 74, indiqué en tirets sur la Fig.4, dans le substrat, par ailleurs, de type p reliant la région de drain 52 du composant 44 à la région de source 50 du composant 46. 20 Dans certains dispositifs, ceci peut être un inconvé nient car il résulte une voie de conduction entre les deux composants 44 et 46 qui, pour le reste sont électriquement isolés l'un de l'autre. Selon la présente invention, l'utilisation de la cou-25 che de nitrure de silicium 70 évite ces difficultés. C'est ainsi qu'en déposant la couche de nitrure 70 à une température ayant pour résultat une charge nulle ou négative, par exemple, en opérant à une température supérieure à environ 830°C, (voir Fig.3)* on évite la formation d'un canal n 74. 30 En ce qui concerne les deux composants 44 et 46, la présence des couches de nitrure 58 modifie également l'effet de la charge positive normalement associée aux couches de bioxyde de silicium 56. Selon la tension de départ de conduction particulière désirée, les couches de nitrure 58 peuvent être déposées 35 à une température qui, soit renforce, soit s1 oppose à la charge positive de la couche d'oxyde. C'est ainsi, par exemple, que dans des transistors 71 185,67 5 2090259 à effet de champ classiques ayant un substrat p dans lesquels l'isolant de la grille est constitué simplement par une couche de bioxyde de silicium d'une épaisseur de l'ordre de 1000 A ,1e substrat étant dopé à une concentration de 10^ atomes/cm^, les 5 transistors sont du type à raréfaction et ont une tension de seuil de la grille de l'ordre de - 2 V. D'autre part, des transistors identiques, mais dont la grille est isolée par une couche O de bioxyde de silicium de 20 A couverte par une couche de nitrure de silicium de 1000 A déposée à une température de1000°C, 10 cette tension de seuil est de l'ordre de + 2,3 V. Autrement dit, le dispositif fabriqué selon la présente invention est du type à enrichissement. Or, comme l'on sait, la réalisation de transistors à effet de champ de ce type, ayant une région de canal p était assez difficile dans le passé. 15 D'une manière générale, dans les transistors à effet de champ décrits ci-dessus, fabriqués en accord avec l'invention, on peut faire varier la tension de seuil entre environ - 7»3 V, pour une température de dépôt de 650°0 de la couche de nitrure et environ + 2,3 Y pour une température de dépôt de la couche de 20 nitrure de 1000°C. Dans le dispositif représenté sur la Fig.4, la couche de nitrure de silicium 70 s'étendant entre les composants 44 et 46 est plus épaisse que les couches de nitrure de .silicium 58 des composants. C'est ainsi, par exemple, que la couche 70 peut O 25 avoir une épaisseur supérieure à 10 000 A, alors que celle de la couche 58 est de l'ordre de 1000 A . la raison en est que, dans la plupart des cas, les diverses électrodes de grille des divers composants situés sur le substrat sont reliées par des couches conductrices de métal (non-représentées) apposées au-30 dessus des couches isolantes s'étendant entre les composants. Quand une tension suffisante pour provoquer la conduction des divers composants est appliquée aux grilles de ceux-ci, cette même tension est également appliquée entre les couches conductrices de métal et le substrat, à travers les couches isolantes 35 s'étendant entre les composants. En faisant les couches isolantes comprises entre les composants suffisamment épaisses, la tension de départ de conduction des composants devient insuffisante pour former des canaux conducteurs entre ceux-ci. 71 18567 « 2090259 REVENDICATIONS 1. Procédé pour établir un potentiel de surface déterminé sur un corps de silicium qui consiste à produire à sa surface une première couche de bioxyde de silicium suffisamment min- 5 ce pour permettre le passage des électrons par effet Tunnel et à appliquer sur cette première couche une seconde couche de nitrure de silicium à une température prédéterminée afin de produire un potentiel de surface prédéterminé sur ledit corps. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la O 10 couche de bioxyde de silicium a une épaisseur inférieure à 50 A et on couvre cette couche d'une couche de nitrure de silicium déposée à une température qui a pour résultat que lesdites couchés sont soit neutres, soit ont une charge résultante négative. 3. Dispositif semi-conducteur qui comprend un corps 15 de silicium, une première couche de bioxyde de silicium sur l'une des surfaces de ce corps, cette première couche étant assez mince pour permettre le passage des électrons par effet Tunnel, et une couche de nitrure de silicium sur ladite couche d'oxyde de silicium, lesdites couches ayant une charge résultan-20 te négative. 4. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 dans lequel ledit corps de silicium est de type p, deux composants semi-conducteurs étant formés dans ledit corps, près de l'une des surfaces de celui-ci et étant espacés l'un de l'au— 25 tre, le long de ladite surface, ladite première couche de bioxyde de silicium étant placée sur ladite surface, entre lesdits composants, et une seconde couche de nitrure de silicium sur ladite couche de bioxyde de silicium, lesdites couches ayant une charge résultante négative. 30 5» Dispositif semi-conducteur selon la revendication 4 dans lequel chacun desdits composants est un transistor à effet de champ comprenant une région de source, une région de drain et une région de canal, une mince couche de bioxyde de silicium permettant le passage des électrons par effet Tunnel 35 sur cette surface, au-dessus de la région de canal de chacun desdits composants, et une quatrième couche de nitrure de si 71 18567 2090259 licium couvrant chacune desdites troisièmes couches, ces troisième et quatrième couches ayant une charge résultante négative, ladite seconde couche de nitrure de silicium s'étendant entre lesdits composants étant plus épaisse que lesdites quatrièmes couches de nitrure de silicium.