Brevet FR2080989A1 — publié le 19711126

La présente invention est relative à la fabrication des circuits semiconducteurs monolithiques et se rapporte plus particulièrement à la fabrication d'un circuit intégré possédant des caractéristiques perfectionnées dues à un décapage dépendant de l'orienta-5 tion» Le traitement normal des circuits semiconducteurs monolithiques épitaxiaux planar exige que la plupart des composants individuels soient isolés électriquement les uns des autres par des jonctions PN polarisées en sens inverse. Une telle isolation s'obtient 10 au prix d'une diffusion à haute température prenant du temps qui doit traverser la totalité de l'épaisseur de la couche épitaxiale. XI faut une diffusion profonde supplémentaire pour établir un contact à faible résistance série avec une région de collecteur enterrée. Ces deux diffusions ne sont pas avantageuses pour plusieurs 15 raisons. Elles nécessitent au moins deux stades d'élimination d'oxyde et plusieurs stades coûteux de manipulation, outre le stade de diffusion proprement dit. Elles produisent des zones de surface présentant des concentrations en dopant extrêmement élevées et peuvent introduire une densité anormalement haute de défauts dans la 20 structure cristalline. Comme les diffusions soi^t pratiquement isotropes, elles progressent latéralement et occupent une partie considérable de la superficie totale de. la tranche de semiconducteur, ce qui limite considérablement la densité d'implantation des composants. 25 Parmi les divers procédés qui ont été suggérés pour supprimer ces stades de diffusion, on peut noter celui utilisant une isolation diélectrique, notamment dans le cas des dispositifs tolérant des rayonnements. Cette solution est en effet intéressante pour cer tains types de circuits fonctionnant dans des ambiances de fonction 30 nement choisies, mais le procédé n'est pas simple et n'a pas encore été adapté à des densités.d'implantation très grandes. D'autres techniques ont été suggérées pour obtenir la densité d'implantation élevée requise avec les techniques de diffusion, mais elles nécessitent des couches épitaxiales très minces du fait 35 que le degré de diffusion vers l'extérieur à partir des zones de contact d'isolation et de collecteur dépend directement de l'épaisseur de la couche épitaxiale. Toutefois, de telles techniques posent des problèmes nouveaux qui se présentent sous la forme d'opérations précises et difficiles de commande qui sont nécessaires ^0 pour former de façon sûre les couches épitaxiales. De plus, même 71 G4743 2. 2080989 avec la couche épitaxiale mince, la diffusion d'isolation est encore nécessaire, ce qui limite la densité d'implantation et implique certains sacrifices relatifs à la résistance série de collecteur si la région profonde de collecteur est supprimée. • En conséquence, l'invention a pour but de fournir : - un circuit semiconducteur monolithique perfectionné présentant une résistance série de collecteur minimale, une faible capacité de sortie et une densité d'implantation accrue; - un procédé de fabrication d'un circuit monolithique intégré qui réduit le nombre de stades de traitement requis en éliminant, par exemple, la nécessité de la diffusion d'isolation; - lin circuit intégré dans lequel le contact ohmique est appliqué directement sur une région de collecteur enterrée et de faible résistivité. Selon l'invention, un circuit semiconducteur comprend un corps semiconducteur monocristallin ayant une région de substrat présentant de façon prédominante un premier type de conductivité, et une couche adjacente de type de conductivité opposé. Un réseau de gorges d'isolation est décapé dans le corps, traverse la totalité de l'épaisseur de la couche de type de conductivité opposé et pénètre en partie dans la région du substrat, de sorte qu'il apparaît une série de régions en forme de mésa. Le substrat comporte une série de régions de faible résistivité, de type de conductivité opposé, auxquelles l'accès est fourni par les gorges. Ces régions de faible résistivité fournissent des parcours de faible résistance allant jusqu'aux parties de base des régions en forme de mésa qui sont définies par le réseau de gorges et permettent ainsi d'établir directement des connexions ohmiques avec les composants contenus dans chacune des régions en forme de mésa choisies. Une couche d'isolation recouvre les régions mésa et le réseau de rainures, cette couche isolante comportant des fenêtres au-dessus des régions mésa pour permettre d'établir le contact électrique avec les composants de circuit et des fenêtres supplémentaires dans les gorges pour permettre d'établir le contact électrique avec les régions de substrat de faible résistivité qui constituent une partie de la surface des gorges. La couche d'isolation supporte un ensemble métallisé destiné à interconnecter électriquement les divers composants pour constituer le circuit. A titre d'exemple, l'ensemble de l'invention comprend une pastille de silicium monocristallin, principalement d'un premier type 71 04743 3. 2080989 de conductivité sur laquelle est déposée une couche épitaxiale mince de type de conductivité opposé» Dans la région de substrat, juste en dessous de la couche épitaxiale, il est prévu un réseau de régions de faible résistivité et de même type de conductivité que 5 la couche épitaxiale- Ces régions enterrées de faible résistivité servent à réduire à une valeur minimale la résistance série de collecteur des transistors fabriqués dans la couche épitaxiale, comme il est clair pour les spécialistes. Outre la couche épitaxiale initiale de type de conductivité 10 opposé, il est prévu une seconde couche épitaxiale de même type de conductivité que le substrato Selon une variante, la première et la seconde couches épitaxiales sont constituées par une couche épitaxiale unique sur laquelle est diffusée une région de surface, de même type de conductivité que la pastille de substrat initiale. 15 Les gorges d'isolation sont formées de préférence par un déca page dépendant de l'orientation. En raison du fait qu'un tel réseau décapé de gorges devient plus étroit à mesure qu'il s'étend plus profondément dans le silicium et qu'il n'existe pas de tolérance d'espacement entre les régions de base des transistors et les jonc-20 tions d'isolation, la densité d'implantation obtenue suivant l'invention est exceptionnellement élevée, notamment lorsqu'on la compare aux densités d^implantation pouvant être obtenues avec les techniques d'isolation par jonctions PN. Une caractéristique principale du dispositif de l'invention 25 est constituée par les diverses fonctions remplies par le réseau de gorges d'isolation. Autrement dit, un réseau unique de gorges assure non seulement une isolation latérale entre les composants ainsi qu'une connexion ohmique directe avec les parties enterrées de faible résistivité des régions de collecteur des transistors, mais 30 également une définition simultanée des géométries des bases et des résistances, ce qui supprime la nécessité des stades correspondants d'élimination d'oxyde- Une telle combinaison de caractéristiques permet d'obtenir des résistances série de collecteur extrêmement faibles ainsi qu'une faible capacité de sortie et une densité d'im-35 plantation maximale en éliminant l'isolation à jonctions PN latérale . L'invention a également pour objet tin procédé de fabrication du circuit intégré semiconducteur décrit ci-dessus, dont le stade initial consiste à prévoir une pastille semicondtictrice monocris-^O talline comportant une région de substrat qui est principalement 71 04743 h 2080989 d'un premier type de conductivité et une couche de surface de type de conductivité opposé dont 15 orientation cristalline est parallèle à un plan (100). La région de substrat comporte une série de régions distinctes à faible résistivité, de type de conductivité op-5 posé, situées près de la couche de surface. Une partie de l'épaisseur de la couche superficielle est convertie ensuite en région du premier type de conductivité en diffusant de façon non sélective une impureté convenable. Un réseau de gorges d'isolation est ensuite décapé sélectivement et préférentiellement dans la surface de la 10 pastille, ce réseau traversant complètement la couche de surface et pénétrant dans la région de substrat, de sorte que la pastille est ainsi munie d'un réseau de régions en forme de mésa. Chacune des régions de substrat, de faible résistivité est située au niveau de la base d'une région mésa et, si elle doit servir de connexion ohnii-15 que, elle est mise partiellement à découvert par le réseau de gorges qui définit la région mésa„ L'accès à la région de collecteur enterrée est ainsi obtenu comme décrit à propos du dispositif de 1'invention. Une couche d'isolation est ensuite formée et recouvre les ré— 20 gions mésa et les surfaces du réseau de gorges qui entourent les régions mésa. Des composants comportant des transistors, des diodes et des résistances par exemple, sont ensuite formés dans des régions mésa choisies en utilisant des techniques connues. Enfin, des fenêtres sont ménagées dans la couche d'isolation pour permettre 25 l'interconnexion électrique des composants et un ensemble de contact métallique est déposé et découpé sur la couche d'isolation. Une caractéristique principale du mode de réalisation préféré du procédé de l'invention est l'emploi d'un décapage dépendant de l'orientation pour éliminer le silicium et définir ainsi le réseau 30 de régions isolées en forme de mésa. Une solution de décapage convenable, constituée par de l'hydroxyde de potassium, du propanol et de l'eau, élimine le silicium à une vitesse bien commandée, comprise dans la gamine de 0,5 à 1,5 microns par minute, selon la température et la vitesse d'agitation, dans une direction normale au plan 35 (100). Cette solution n'attaque pas de façon appréciable le silicium dans une direction normale au plan (11l). La zone décapée qui en résulte présente des faces plates, inclinées et bien définies qui forment un angle d'environ 5^}7° avec le plan (100)„ La gorge décapée présente la forme d'un V et lorsqu'elle est formée, la vi-40 tesse de décapage tombe à peu près à zéro. 71 04743 5. 2080989 La profondeur de la gorge dépend de la largeur de l'ouverture ménagée dans le masque de décapage qui est situé sur la surface de la pastille et ne dépend que légèrement de la durée dé décapage si le fond de la gorge est terminé. Pour des durées de décapage infé-5 rieuresà celles nécessaires pour obtenir la formation du fond, la profondeur de décapage dépend de la durée de décapage d'une manière réglable, ce qui fournit une gorge régulière et à fond plat» En ce qui concerne l'invention, la largeur des ouvertures ménagées dans le masque de décapage est suffisante pour obtenir des gorges déca-10, pées dont le fond est situé en dessous de la couche épitaxiale, ce qui isole un réseau de régions en forme de mésa» Sur une face de / chaque région isolée en forme de mésa, dans laquelle un transistor doit être fabriqué, la largeur de l'ouverture du masque de décapage doit être suffisamment grande pour former une gorge d'isolation 1 '5 ayant un fond plat et relativement large qui est situé au moins partiellement dans la région de substrat de faible résistivité qui fournit un contact de collecteur de faible résistivité. Selon une variante, les composants du circuit sont achevés avant de décaper les gorges d'isolation au lieu d'être fabriqués 20 ensuite. Cette suite d1 opérations est avantageuse du fait que le ■ dépôt et la mise en forme de la matière de réserve photographique sur une surface plane sont moins difficiles que sur la surface irrégulière produite par le stade de décapage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî-25 tront au cours de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les Figo 1 et 2 sont des vues en coupe transversale, schématiques, partielles et fortement agrandies d'une pastille de silicium monocristallin représentant les stades intermédiaires du pro- 30 cédé de fabrication du dispositif de l'invention; - la Fig. 3 est xine vue en coupe transversale, schématique et fortement agrandie de la pastille représentée aux Fig. 1 et 2, montrant un dispositif complet de l'invention; - la Fig. 4 est une vue en plan schématique et agrandie du 35 dispositif représenté à la Fig. 3; - les Fig» 5s 6 et 7 sont des vues en coupe transversale, schématiques, partielles et fortement agrandies d'une pastille de silicium monocristallin représentant les stades intermédiaires du procédé de fabrication du dispositif de l'invention; ko - la Fig„ 8 est une vue en coupe transversale, schématique et 71 04743 6. 2080989 fortement agrandie de la pastille représentée aux Fig. 5 à- 7 » montrant un dispositif complet de l'invention; - la Fig. 9 est une vue en plan, schématique et agrandie du dispositif représenté à la Fig.. 8. 5 La Fig. *1 représente une pastille 1 1 constituée par un corps de silicium monocristallin d'orientation cristallograpliique propre à présenter à découvert une surface parallèle à un plan (100). La pastille est principalement de type P et présente une résistivité de 2 à 5 ohms-centimètre qui est obtenue par un dopage de bore par 10 exemple. D'autres semiconducteurs et d'autres dopants sont également utiles, comme il est clair pour les spécialistes0 La région 12 de type N fait partie d'une série de régions analogues formées par diffusion sélective d'arsenic par exemple, ou d'une autre impureté de donneur afin d'obtenir une résistance su-15 perficielle d'environ 15 à 25 ohms par carré. Une pellicule épitaxiale 13 de type N déposée sur la totalité de la surface de la pastille possède une épaisseur d'environ 2, $h. à 12,7 microns et une résistivité d'environ 0,1 à 3 ohms-centimètre. Une diffusion non sélective de "bore ou d'une autre impureté d,'accepteur convenable 20 est ensuite effectuée sèlon des techniques connues pour former une couche 1h ayant une épaisseur d'environ 1 à 5 microns et une résistance superficielle de 150 à- 200 ohms par carré». Comme représenté à la Fig. 2, une couche de masquage 15 résistant au décapage, en silice par exemple, comporte un réseau d'ouver-25 tures rectangulaires. La pastille masquée est soumise ensuite,- à 65°C, à un décapage dépendant de l'orientation au moyen d'une solution comprenant, par exemple, 250 grammes d'hydroxyde de potassium dissous, dans un mélange de 250 millilitres de propanol et 800 millilitres d'eau pour former un réseau de gorges décapées qui sont 30 désignées par les flèches 16, 17 et 18. Dans ce mode de réalisation, il est essentiel que le réseau de gorges traverse la totalité de l'épaisseur de la ou des couches épitaxiales afin d'établir une isolation électrique des régions en forme de mésa constituant les composants. La gorge 16 est creusée dans la région 12 pour permet-35 tre rai contact ohmique direct avec celle-ci. Dans d'autres modes de réalisation, une nouvelle augmentation de la densité d'implantation des résistances diffusées et/ou des diodes est obtenue en utilisant un réseau de gorges moins profondes entourant et définissant les régions en forme de mésaj la couche 14 ho servant elle-même à constituer un composant. Dans un tel mode de 71 04743 7" 2080989 réalisation, il suffit qu'une partie du réseau de gorges ait son fond juste en dessous de la jonction formée par les couches 13 et lk't du fait que cette jonction assure l'isolation électrique verticale de ces composants au lieu de la jonction entre la couche 13 5 et le substrat ^ ' Comme représenté à la Fig„ 3» la pastille 11 est recouverte ensuite par une couche d'isolation 19 qui peut être constituée commodément en partie par la couche de masquage 15 ainsi que par une couche d'oxyde recouvrant le réseau de gorges qui est produit par 10 oxydation thermique^consécutivement à l'achèvement de l'opération de décapage. Une région d'émetteur 20 est ensuite appliquée au moyen "d'une diffusion sélective d'une impureté de donneur à l'aide de techniques connues. La couche d'isolation 19 est ensuite décapée sélectivement afin de former des fenêtres destinées à établir le 15 contact oSanique avec les régions 12, et 20 respectivement et e&ttê-aperation est suivia par le dépôt et la mise en forme d'une pellicule de métal en aluminium par exemple, destinée à établir les contacts 21, 22 et 23. ; Jl n'est représenté aucune connexion électrique pour la région 20 mésa comprise entre les gorges 17 et 18; toutefois, cette région peut être utilisée pour former une ou plusieurs résistances diffu-. sées. Autrement dit, la couche- 1h est utile en elle—même en tant que résistance simple ou elle peut être utilisée en combinaison avec, la couche 13 pour former deux résistances séparées. Ceci néces— 25 site naturellement l'application d'une tension de polarisation inverse aux;bornes de la jonction comprise entre les deux couches. Lorsque la couche 13 est utilisée en tant que résistance, le contact ohmique avec elle est assuré par l'emploi d'une région de substrat de faible résistivité, telle que la région 12, et d'un réseau de 30 gorges s'étendant jusqu'à elle, de la même manière que la connexion de collecteur est établie avec le transistor représenté» Le circuit complet de l'invention comprend à titre d'exemple un grand nombre de réglons en forme de mésa telles que celles représenté es dans lesquelles d'autres composants sont fabriqués et interconnec-35 tus selon des techniques connues, comme par exemple divers types de transistors, diodes, etc. La Fig. k est une vue en plan du dispositif de l'invention, qui comprend des rectangles en pointillé destinés à indiquer les limites sous-jacentes des régions de collecteur, de base et d'émet-kO teur, aihsi que des fenêtres d'oxyde 2k, 25 et 26 à travers les 71 04745 2080989 quelles le contact ohmique est établi avec les régions 12, 20 et 14 respectivement. La géométrie de surface de la région en forme de mésa est indiquée sous forme partielle par la référence 27. Comme représenté à la Fig» 5» la pastille '31 est constituée 5 par un corps de silicium monocristallin d'orientation cristallograpliique propre à mettre à découvert une surface supérieure parallèle à un plan (100). La pastille est principalement de conductivité de type P et présente une résistivité de 2 à 5 ohms-centimètre, produite par dopage au bore par exemple» D'autres semiconducteurs et 10 d'autres dopants peuvent également être utilisés, comme il est clair pour les spécialistes. La région 32 de type R fait partie d'une série de régions analogues obtenues par diffusion sélective d'arsenic par exemple ou d'une autre impureté de donneur afin d'obtenir une résistance superficielle d'environ 15 à 25 ohms par i5 carré « La pellicule épitaxiale 33 de type K, déposée sur la totalité de la surface de la pastille, a une épaisseur d'environ 2,5^ à 12,7 fflm et une résistivité d'environ 0,1 à 3 ohms—centimètre. Comme représenté à la Fig. 6, la couche 33 est recouverte par une couche de masquage 3^ en oxyde de silicium par exemple, obtenue thermique-20 ment ou par dépôt en phase vapeur. Une diffusion sélective de bore ou d'une autre impureté d'accepteur convenable est ensuite effectuée selon des techniques connues pour former des régions 35 ayant une épaisseur d'environ 1 à 5 microns et line résistance superficielle de 150 à 200 ohms par carré. La couche d'oxyde 36, formée pen— 25 dant la diffusion de la base, est ensuite munie de fenêtres 37 à travers lesquelles des régions d'émetteur 38 sont formées par diffusion sélective selon des techniques connues. Comme représenté à la Fig* 7> il est prévu une nouvelle couche de masquage 39 en silice par exemple, qui comporte un réseau rec— 30 tangulaire d'ouvertures. La pastille masquée est ensuite soumise, à ' 65°c, à une solution de décapage dépendant de l'orientation qui est constituée, par exemple, de 250 grammes d'hydroxyde de potassium dissouS dans un mélange de 2>0 millilitres de propanol et de 800 millilitres d'eau pour former un réseau de gorges décapées, dési-35 gnées par les flèches bO, 4l et 42. Il est essentiel que le réseau de gorges traverse la totalité de l'épaisseur de la couche épitaxiale 33 afin d'établir l'isolation électrique des régions en forme de mésa constituant les composants obtenus. Le fond de la gorge h2 pénètre dans la région 32 pour permettre la connexion ohmique avec 40 celle-ci. 71 04743 9. 2080989 Comme représenté à la Fig. 8, l'isolation latérale est encore • renforcée par une diffusion sélective de bore par exemple, pour former des couches minces de type l5, 43 et 44, le long des gorges 40 et 41. Le principal intérêt de cette diffusion est d'empêcher la 5 formation possible d'un canal d'inversion de type Î\T en travers du fond des gorges 40 et 4l. Une nouvelle croissance d'oxyde se produit pendant la diffusion destinée à former des couches d'oxyde 45 et 46 qui, en combinaison avec le masque 39» recouvrent la totalité de la surface de la pastille. Les couches d'isolation sont ensuite 10 décapées sélectivement pour former des fenêtres destinées à établir un contact ohmique avec les régions 32, 35 et 38 respectivement et cette opération est suivie par le dépôt et la mise en forme d'une pellicule métallique, en aluminium par exemple, pour former des contacts 47, 48 et 49. 15 Le circuit complet de l'invention comporte à titre d'exemple un grand nombre de régions en forme de mésa telles que celles représentées, dans lesquelles d'autres composants sont fabriqués et interconnectés selon des techniques connues, comme par exemple divers types de transistors, diodes, etc. 20 La Fig„ 9 représente une vue en plan du dispositif comportant une gorge d'isolation 50 et clés rectangles en pointillé représentant les limites sous-jacentes des régions de collecteur, de base et d'émetteur, ainsi que des fenêtres d'oxyde par lesquelles les contacts-ohmiques sont établis avec les régions 32, 35 et 38 res-25 pectivemento Outre les modes de réalisation décrits en particulier, il est clair que l'invention couvre d'autres modes de réalisation dans lesquels les dimensions, les résistivités, les types de conductivité, les dopants, les vitesses de décapage, les solutions de décapa-30 ge, etc, diffèrent significativement des exemples donnés. 71 04743 10. 2080989 - REVENDICATIONS. - 1 — Circuit semiconducteur comprenant un corps semiconducteur monocristallin ayant une région de substrat qui est principalement d'un premier type de conductivité et une couche'de surface qui est 5 principalement de type de conductivité opposé et dans lesquelles des composants sont formés à l'intérieur de régions isolées en forme de mésa, caractérisé en ce que le corps comporte un réseau décapé de gorges d'isolation traversant la couche de surface et pénétrant en partie dans la région de substrat pour former la série de 10 régions en forme de mésa, une série de régions de faible résistivité du type de conductivité opposé qui sont formées dans le substrat et auxquelles on peut accéder au moyen des gorges, une couche isolante recouvrant les régions en forme de mésa et les gorges, cette couche d'isolation comportant des fenêtres situées sur les régions 15 en forme de mésa pour permettre d'établir un contact électrique avec les composants et des fenêtres dans les gorges pour permettre un contact électrique avec les régions à faible résistivité du substrat, et un réseau métallisé disposé sur la couche d'isolation qui interconnecte ohmiquement les composants pour former un circuit. 20 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est en silicium de type P et les régions de faible résistivité sont en silicium de type N dont la résistivité est inférieure à 25 ohms par carré. 3 — Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 25 couche de surface présente une résistivité de 0,1 à 3 ohms-centimè-tre. k — Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps semiconducteur a une orientation cristallograpliique telle que la surface des gorges est parallèle au plan (100), le fond des gor-30 ges est parallèle à ladite surface et les parois latérales sont parallèles au plan (t1l). 5 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde couche de même conductivité que le substrat, sur la première couche. 35 6 - Circuit selon la revendication 5> caractérisé en ce que la seconde couche présente une épaisseur de 1 à 5 microns et une résistance superficielle de 150 à 200 ohms par carré. 7 — Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une ko pastille semiconductrice monocristalline comporte une région de 71 04743 2080989 substrat d'un premier type de conductivité principalement et une couche adjacente de type de conductivité opposé, d'orientation cristallograpliique selon un plan (lOO), la région de substrat comportant une série de régions de faible résistivité et de type de 5 conductivité opposé et qui prolonge la couche adjacente, des impuretés étant diffusées sélectivement dans la surface de la couche adjacente pour former une série de régions du premier type de conductivité, caractérisé en ce qu'il consiste à décaper sélectivement et préférentiellement un réseau de gorges dans la pastille, ce ré-10 seau entourant les régions diffusées, traversant complètement la couche, atteignant la région de substrat et étant choisi de manière à munir la pastille d'un réseau de régions en forme de mésa recouvrant au moins partiellement la région de substrat de faible résistivité, chacune des régions mésa choisies comportant une gorge adja-i 5 cente qui s'étend dans urr? région de substrat de faible résistivité adjacente correspondante ; à former une couche d'isolation recouvrant les régions en forme de mésa ainsi que les parois et les fonds de gorges; à former un composant dans chacune des régions mésa choisies; à former des fenêtres dans la couche d'isolation pour permet-20 tre l'interconnexion des composants; à former des fenêtres supplémentaires dans la couche d'isolation et des fonds de gorge sélectifs pour permettre d'établir le contact électrique avec les régions de substrat de faible résistivité, et à déposer et à donner une forme à un ensemble conducteur métallique sur la couche isolante 25 munie de fenêtres. 8 — Procédé selon la revendication 7j caractérisé en ce que le semiconducteur est du silicium et la solution de décapage est constituée par du propanol, de l'eau et de l'hydroxyde de potassium.