Brevet FR2075939A1 — publié le 19711015

La présente invention concerne les corps semiconducteurs monocristailins comprenant des régions isolées diélectriquement. Dans la fabrication des circuits intégrés monolithiques, de nombreux éléments actifs, tels que les transistors et les diodes, par exenpie, et 5 de nombreux éléments passifs, tels que des résistances et dBs capacités, par exemple, sont formés dans ou sur ou le même corps semiconducteur monocristal-lin. Ces éléments actifs et passifs sont interconnectés en un circuit par une configuration de métallisation sur un film isolant recouvrant la surface du corps semiconducteur. Pour éviter une interaction électrique non voulue, 10 des éléments les uns avec les autres, il est nécessaire d'isoler intérieurement les éléments actifs et passifs du dispositif les uns des autres. On obtenait précédemment cet isolement électrique des éléments les uns ttes autres à l'intérieur du corps à l'aide d'isolement par jonction ou d'isolement par diélectrique. Un isolement par jonction a pour désavantage de 15 créer une capacité parasite! et cela est particulièrement indésirable dans les dispositifs à commutation à vitesse rapide. Un autre désavantage des jonctions d'isolement est que les jonction s sont sensibles aux radiations. En conséquence, l'exposition de la jonction à des quantités significatives de radiation altère ou brise la jonction d'isolé-20 ment ce qui détruit le fonctionnement du dispositif. Par conséquent, une jonction d'isolement est particulièrement indésirable dans le dispositif utilisé par les militaires et les dispositifs utilisés dans l'espace. Les procédés précédents pour la formation d'isolement diélectrique dans un corps semiconducteur monocristallin nécessitaient beaucoup de temps, étaient 25 fastidieux, très astreignants, et coûteux. Un procédé précédemment suggéré pour isoler diélectriquement les éléments d'un dispositif de circuit intégré monolithique était de décaper des canaux dans une pastille semiconductrice pour séparer les diverses régions du dispositif. On forme alors une couche isolante sur la surface supérieure du dispositif. Ensuite, le dispositif 30 est inversé et le reste de la pastille est éliminé jusqu'au fond des canaux. Cela laisse certaines parties de la pastille exposées, le matériau isolant entourant les parties exposés, et l'ensemble fonctionnant comme structure renversée. Dans l'art antérieur, on décrit un procédé pour former, "sous la surface", 35 une couche de matériau Isolant afin d'isoler diélectriquement une partie d'un dispositif du reste du dispositif du corps. La présente invention est une amélioration en ce que l'on isole diélectriquement un dipositif entier du reste du corps et que l'on réalise cela avec une étape unique d'implantation d'ions. 40 Dans la forme préférée de la présente Invention, la pénétration des 70 34361 2 2075939 ions dans le corps est commandée par la formation d'un masque avec unB ouverture dont les bords sont biseautés ou inclinés. En dirigeant les ions sur le masque avec une énergie prédéterminée, les ions traverseront l'ouverture jusqu'à une profondeur désirée pour former une couche sous la surface. Du fait 5 que la surface entourant l'ouverture est biseautée, les ions seront implantés dans le corps, à partir de la périphérie de la couche sous la surface, jusqu'à la surface du corps pour entourer complètement une région isolée du corps afin de l'isoler diélectriquement du reste du corps. Un objet de la présente invention est de réaliser un procédé pour former 10 une région isolée diélectriquement dans un corps semiconducteur monocristal-lin. Un autre objet ri8 la présenty invention est de réaliser un dispositif semiconducteur ayant un corps semiconducteur monocristallin avec au moins une région isolée diélectriquement. 15 D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention rassortiront 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 1 est un diagramme représentant le procédé de la présente invention pour la formation d'une couche de matériau isolant dans un corps 20 semiconducteur monocristallin pour isoler diélectriquement une région du corps. La figure 2 représenta une vue schématique d'un appareil pour l'implantation ionique convenable à la réalisation du procédé de la présente invention. La figure 3 est un diagramme représentant un procédé pour former une 25 ouverture dans un masque avec une surface an biseau ou inclinée entourant l'ouvertures En sb se référant aux dessins, et particulièrement à l'étape 1 de la figure 1, on représente un corps monocristallin 10 formé d'un matériau semiconducteur convenable tel que du silicium, par exemple. La surface 11 du 30 corps 10 est masquée par un masque 12, qui peut être formé de tout matériau évitant la pénétration des ions dans le corps 10 dans les zOnes masquées. Par exemple» le matériau du masque 12 peut être de l'or, du molybdène, du tungstène, de l'argent, du dioxyds de silicium ou du nitrure de silicium. Lorsque le masque est formé d'or ou de molybdène, il a de préférence 35 une épaisseur de 3000 à 4000 Avec estta épaisseur, l'énergie des ions doit Strs ds 2 Mev, Comme on le montre dans 1'étape 1 de la figure 1, le masque 12 comporte des. ouvertures 14 à travers lesquelles les ions passent pour s'implanter dans le corps 10» Bien qu® l'on ne représente que deux des ouvertures 14 dans 40 le masque 12, on doit comprendre que 1s masque 12 comprend plusieurs ouver 70 34361 3 2075939 tures. Chacune des ouvertures 14 est entourée par une surface en biseau ou inclinée 15 du masque 12. La surface en biseau 15 forme un certain angle par rapport à la surface 11 du corps 10 afin de commander la pénétration 5 des ions dans le corps 10, et notamment dans la région située sous la surface en biseau 15. Lorsque l'angle de la surface en biseau 15 par rapport à la surface 11 du corps 10 diminue, une région plus importante d'implantation d'ions dans le corps 10 se produit. Pour produire la couche isolante continue, unique 10 et désirée à l'intérieur du corps 10, afin d'isoler diélectriquement une région du corps 10 du reste du corps, l'angle de la surface en biseau 15 par rapport à la surface 11 du corps 10 ne doit pas dépasser 45°. Les ions sont fournis par une alimentation d'ions 16 (voir figure 2) dans laquelle les ions d'au moins un élément sont ionisés de façon bien connue. 15 Lorsque le matériau du corps 10 est du silicium, les éléments sont choisis dans le groupe comprenant l'oxygène, l'azote, le carbone ou un mélange de ces éléments. Les ions provenant de la source d'ions 16 sont accélérés par un gradient de potentiel à travers un accélérateur 17 jusqu'à ce qu'ils possèdent une 20 énergie suffisamment élevée pour Être implantée dans le corps 10 lorsqu'il est disposé à l'intérieur d'une chambre cible 18 comme représenté dans la figure 2. Puisque les particules ionisées forment un faisceau 19 qui est chargé, le faisceau 19 peut être dévié par des aimants et des champs électriques. En conséquence, le faisceau 19 peut être focalisé et dévié dans une 25 chambre 20, pour bombarder le corps 10 dans la cible 18. La profondeur à laquelle les ions du fasiceau 19 sont implantés dans le corps 10 est fonction de l'énergie du faisceau ionique 19, de l'angle d'incidence du faisceau 19 par rapport au corps 10, du matériau du masque 12, et de l'épaisseur du masque 12. En général, un faisceau ionique, avec 30 une énergie comprise entre 5 Kev Bt 3 Mev, est suffisant pour implanter des ions dans le corps monocristallin 10. Lorsque les ions sont dirigés sur la surface du masque 12, les ions pénétrent plus profondément dans le corps 10, au-dessous des zones nons masquées. En conséquence, une région 21 située sous la surface est formée directement au-dessous de chacune des ouvertures 35 14 du masque 12. A l'intérieur de la région 21, il existe une concentration 18 22 3 élevée d'ions implantés variant de 10 à 10 ions/cm . La profondeur de la région 21 à l'intérieur du corps 10 dépend de l'énergie de bombardement. En général, une énergie d'au moins 1 Mev est utilisée. La surface en biseau 15 du masque 12 réduit la pénétration des ions 4à dans le corps 10, ce qui permet la formation d'une région d'environnement 22 70 34361 4 2075939 se développant depuis la périphérie de la région 21 jusqu'à la surface 11 du corps 10 et faisant un certain angle avec la région 21. Ainsi, la surface en biseau 15 du masque 12 donne une implantation d'ions dans le corps 10 qui se rapproche de la surface 11 du corps 10 lorsque l'épaisseur du masque 5 12 augmente. En conséquence, l'énergie du faisceau d'ions 19 ne doit pas 8tre seulement choisie selon la profondeur désirée de la région 21 mais aussi pour assurer que la région 22 se développe à partir de la région 21 jusqu'à la surface 11 du corps 10. La région 22 a la même concentration d'ions implantés que la région 21. 10 Après le bombardement du corps 10 avec les ions pour former la région 21 et la région d'environnement 22, le masque 12 est retiré du corps 10 de façon bien connue. Ensuite, on chauffe le corps 10 à une température suffisante, telle que 1100°C, durant un temps suffisant pour faire réagir les ions implantés avec des ions à l'intérieur du corps 10. A la température de 1100°C, 15 un temps d'au moins une demi-heure est habituellement nécessaire. Le chauffage du corps 10 peut 6tre réalisé dans l'air, dans le vide, ou dans une atmosphère inerte telle que l'azote ou l'argon» Le chauffage du corps 10 abouti à la réaction des ions implantés, qui sont de l'azote, du carbone ou de l'oxygène lorsque le corps 10 est du sili-20 cium, avec des ions silicium du matériau du corps 10, pour former une couche isolante polycristalline amorphe 23. Si les ions sont obtenus à partir de l'oxygène, la couche isolante 23 Bst du dioxyde de silicium. Si les ions sont de l'azote, la couche isolante 23 est du nitrure de silicium. Si les ions sont formés à partir du carbone, la couche 23 est du carbure dB silicium. 25 La couche 23 est uns couche continue unique comportant une partie 24 située sous la surface et une partie environnante 25. En conséquence, la couche isolante 23 isole diélectriquement une région 26 du reste du corps 1D. Ainsi, bien que la région 26 ait la mÈme structure monocristalline que le reste du corps 10, elle en est diélectriquement isolée. 30 Pour obtenir une couche effective et continue, la concentration des ions implantés provenant de l'alimentation ionique 16 doit Stre supérieurs 10 3 à 10 ions par cm . Le domaine préféré de concentration des ions implantés 20 22 3 est compris entre 10 et 10 ions par cm . Après la formation de la couche isolante 23 dans le corps 10 pour isoler 35 diélectriquement la région 26, on peut traiter le corps 10 pour former un dispositif semiconducteur intégré à l'intérieur de la région 26 comme indiqué dans l'étape 4 de la figure 1. En conséquence, une région enterrée de sous- collecteur 27 peut Stre produite dans la région 26 par implantation d'ions et une région 28 peut 6tre réalisée pour établir un contact électrique à 40 faible résistancs. 70 34361 5 2075939 Une région base 29 Bt une région émetteur 30 peuvent Ôtre formées dans la région isolée 26, qui daas ce cas fonctionne comme collecteur, à l'aide des techniques de diffusion classiques dans les techniques d'implantation d'ions. Les techniques utiles pour former les diverses régions dans l'implan-5 tation d'ions sont décrites complètement dans la demande de brevet déposée en France par la demanderesse le 8 Juillet 1969 sous le n° 6923612. On montre dans la figure 3, une réalisation d'une surface en biseau 15 autour de l'ouverture 14. Dans l'étape 1 de la figure 3, on représente le corps du substrat 10 comme ayant reçu une première couche 31 du masque 10 12. La couche 31 peut Stre constituée par l'un des matériaux précédemment décrits comme exemple convenable de matériau du masque 12, tel que l'or, le molybdène, le tungstène, l'argent, le.dioxyde de silicium, ou le nitrure de silicium. k Les métaux peuvent Stre déposés sur la surface du substrat 10 par pulvé-15 risation ou dépflt en phase vapeur, par exemple. Le dioxyde de silicium peut Stre déposé sur le substrat 10 par croissance thermique, par dépfit pyrolitique, ou pulvérisé par exemple. Le nitrure de silicium peut Stre pulvérisé, par exemple, sur la surface du substrat 10. Après le dépfit de la couche 31, qui peut avoir une épaisseur de 500 20 A à 1000 A, sur la surface du substrat 10 comme indiqué dans l'étape 1 de la figure 3, la couche 31 est soumise à un bombardement ionique comme on l'a indiqué schématiquement dans l'étape 2 de la figure 3. Les ions peuvent Stre tout ion inerte tel que le néon ou l'argon, par exemple. Le niveau d'énergie de bombardement des in ri s doit être choisi de telle 25 sorte que le bombardement ionique ne provoque pas la pulvérisation de la couche 31. En outre, le niveau d'énergie de bombardement des ions ne doit pas Stre élevé afin que les ions ne pénétrent dans le substrat 10. Par conséquent, un niveau d'énergie compris entre 50 et 100 Kev est satisfaisant. Après le bombardement de la couche 31 par les ions, une autre couche 32, ayant une épaisseur de 500 A à 1000 A est disposée sur la couche 31 de la mSme façon que la couche 31 a été déposée sur le substrat 10. On représente la couche 32 sur la couche 31 dans l'étape 3. Après la formation de la couche 32, un autre bombardement ionique sb produit dans l'étape 4. Le niveau d'énergie du bombardement ionique doit de nouveau Stre choisi afin de ne pas provoquer la pulvérisation de la couche 32. Cependant, le niveau d'énergie ne doit pas Stre trop élevé afin que les ions ne péétrent pas dans la couche 31. Un niveau d'énergie compris entre 50 et 100 Kev est de nouveau satisfaisant. Cependant, la dose d'ions jonction dans l'étape 4 est au moins deux fois la dose d'ions utilisée dans l'étape 40 2. 30 35 70 34361 6 2075939 Le procédé de dépfit et 1s bombardement ionique peuvent Stre répétés pour former les couches 33 et 34 et le masque 12 peut comprendre les quatre couches 31-34. Le nombre des couches qui forme le masque 12, dépend de l'épaisseur du masque 12 et de l'épaisseur de chacune des couches. Le masque 12 5 a de préférence une épaisseur de 4000A à 6QOOÂ. Lorsque la couche 33 est déposée, elle est bombardée par des ions avec une dose ionique au moins double de celle utilisée dans le bombardement de la couche 32. Oe façon semblable, lorsque la couche 34 est bombardée après son dépfit, elle est soumise à un bombardement ionique avec une dose au moins 10 égale à deux fois celle utilisée dans le bombardement de la couche 33. Ainsi, la dose ionique utilisée pour le bombardement de nouvelles couches doit Stre au moins double de celle utilisée pour le bombardement précédent. Dans le bombardement ionique, après le dépfit de la couche 33, le niveau d'énergie doit être tel qu'il n'entraîne pas la pulvérisation de la couche 15 33 ou de bombardement de la couche 32 par les ions. Le niveau d'énergie de 50 Kev à 100 Kev est de nouveau satisfaisant. Après le dépfit de la couche 34, le niveau d'énergie de bombardement ionique ne doit pas entraîner la pulvérisation de la couche 34 ou le bombardement de la couche 33. Le niveau d'énergie de 50 Kev à 100 Kev est de nouveau 20 satisfaisant. La vitesse de décapage pour chacune des couches 31-34 varie selon la dose ionique utilisée. Ainsi, la couche 34 a la vitesse de décapage la plus élevée alors que chacune des autres couches a une vitesse de décapage qui diminue, la couche 31 ayant la vitesse de décapage la plus faible. Cela abouti 25 à la formation du masque 12 avec une vitesse de décapage variable commandée. A la fin du bombardement ionique de la couche 34, on dépose une couche 35 de matériau photorésistant sur la couche 34, de façon bien connue, pour former un masque de commande. On forme alors des ouvertures dans la couche 35 de façon bien connue partout où l'on désire obtenir l'une des ouvertures 30 14 formée dans le masque 12. Lorsque le décapage se produit, seule la couche 31 sera décapée avec une ouverture de la mime taille que l'ouverture 14, toutes les autres couches étant plus décapées pour former le biseau ou la surface graduée 15 autour de l'ouverture 14. Un autre procédé pour former les ouvertures 14 dans le masque 12 avec 35 la surface en biseau 15 entourant chacune des ouvertures 14 serait de former le masque 12 par dépBt pyrolytique de dioxyde de silicium sur la surface du substrat 10. Le dioxyde de silicium sera dopé et la densité de dopant sera commande avec précision de telle sorte que la vitesse de décapage soit une variable commandée de 1®épaisseur de la couche de dioxyde de silicium. 40 L'agent de dopage au dioxyde de silicium peut être le bore ou le phosphore. 70 34361 7 2075939 par exemple. Le masque 12 étant formé d'un matériau ayant une vitesse de décapage variable commandée, la surface en biseau 15 sera formée lors de la formation de l'ouverture 14 dans le masque 12 par les techniques photoly-tographiques classiques, par exemple. 5 Bien que l'on ait décrit dans la présente invention le corps semiconduc teur monocristallin 10 comme étant constitué de silicium, on doit comprendre que le corps 10 peut Stre formé de tout autre matériau semiconducteur mono-cristallin, tel que l'arséniure de gallium ou le germanium, Pour produire la couche isolante 23, lorsque le matériau du corps 10 est autre que le sili-10 cium, il serait nécessaire d'implanter des ions silicium dans les mêmes régions que celles où sont implantés des ions d'azote, d'oxygène ou de carbone. Cette implantation des ions de silicium peut Stre réalisée soit en même temps que les ions azote, oxygène ou carbone en formant un mélange des ions silicium avec les ions azote, oxygène ou carbone, soit avant ou après l'implantation 15 des ions azote, oxygène ou carbone. Bien que l'on ait décrit et représenté la présenty invention comme utilisée pour isoler diélectriquement des éléments des dispositifs de circuits intégrés monolithiques, on doit comprendre qu'on peut l'utiliser dans d'autres dispositifs. Par exemple, on peut l'utiliser dans les guides d'ondes de pho-20 tons et les dispositifs optiques. Il est seulement nécessaire que les régions isolées diélectriquement soient formées du même cristal que le reste du corps dans lequel elles se trouvent. Bien que l'on ait décrit, dans la présente invention, la couche isolante, allant de la région située sous la surface jusqu'à la surface du corps, comme 25 étant formé en utilisant une surface en biseau autour d'une ouverture dans un masque, on doit comprendre que la commande de la profondeur de la pénétration des ions pour former cette couche de connexion peut Stre obtenue â l'aide de tout autre moyen convenable. Par exemple, on peut commander l'énergie de bombardement des ions de telle sorte qu'elle soit moins élevée dans les 30 régions entourant la région située sous la surface et qu'elle diminue de façon continue dans des régions concentriques et contigues jusqu'à l'atteinte de la surface du corps par les ions. Un avantage de la présente invention est qu'une couche isolante continue et unique isole diélectriquement une région située dans un corps semiconduc-35 teur monocristallin. Un autre avantage de la présente invention est qu'elle est moins coûteuse pour la formation de l'isolement diélectrique d'une région dans un corps semiconducteur monocristallin. Un autre avantage de la présente invention est que le problème des capacités parasites dues à l'isolement par jonction est éliminé alors que l'on obtient encore un isolement complet 40 d'une région dans le corps semiconducteur monocristallin unique. 70 34361 8 2075939 Bi8n 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. 70 34361 S 2075939 REVENDICATIONS 1.- Procédé pour former une région isolée diélectriquement dans un corps semiconducteur monocristallin caractérisé en ce qu'il comprends le bombardement du corps avec des ions d'au moins un élément qui réa-5 gissent avec des ions du corps lorsqu'ils sont chauffés, pour former un matériau isolant diélectrique] la commande du bombardement du corps à l'aide des ions de l'élement de tBlle sorte que la pénétration des ions de l'élément dans le corps implante des ions de l'élément depuis la surface du corps jusqu'à la profondeur désirée 10 à l'intérieur du corps, pour séparer complètement du reste du corps une région de ce corps et ce, par les ions de l'élément implantés à l'intérieur du corpsi le maintien du bombardement durant un temps suffisant pour produire 18 3 une concentration d'ions d'au moins 10 ions par cm et avec un niveau d'é-nergiB suffisant pour obtenir une pénétration d'ions jusqu'à 1'emplacement 15 désiré à l'intérieur du corps, et le chauffage du corps bombardé à une température suffisante pour faire réagir les ions de 1'élément introduit par le bombardement avec les ions à l'intérieur du corps. 2.» Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que: 20 la commande de la pénétration des ions de l'élément dans le corps est obtenue en disposant, sur la surface du corps, un masque d'épaisseur suffisante pour résister à la pénétration des ions, le masque ayant une surface en biseau autour de chacune de ses ouvertures situées entre la source d'ions et le corpsi 25 le masque est bombardé d'ions de l'élément pour amener ces ions à passer à travers chaquB ouverture du masque jusqu'à une profondeur désirée à l'intérieur du corps, et à travers la surface en biseau pour implanter des ions dans le corps depuis la profondeur désirée jusqu'à la surface du corps. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle que fait 30 chaque surface en biseau avec la surface du corps ne dépasse pas 45e. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce quet les ions de l'élément sont constitués par au moins un corps choisi dans le groupe comprenant l'azote, l'oxygène, et le carbone. 35 le matériau du corps est du silicium, et les ions de l'élément réagis sent avec les ions de silicium du corps lorsque le corps bombardé est chauffé. 70 34361 10 2075939 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caracté-risé en ce que l'énergie de bombardement est d'au moins 1 Mev, 6.» Dispositif semiconducteur du genre comprenant un corps semiconducteur monocristallin, caractérisé en ce qu'il comprend une couche unique et conti- 5 nue de matériau isolant s'étendant depuis une surface du corps jusqu'à l'intérieur de ce corps, pour former, dans le corps, une région isolée diélectriquement du reste du corps, la région isolée diélectriquement communiquant avec la surface dudit corps. 7.» Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche 10 de matériau isolant est formée d'un élément choisi dans le groupe comprenant le nitrure de silicium, le dioxyde de silicium, le carbure de silicum, ou un mélange des éléments de ce groupe. 8.- Dispositif selon les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit corps est du silicium. 15 9.* Dispositif selon les revendications 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que le corps comprend plusieurs couches qui sont espacées les unes des autres pour former plusieurs régions isolées diélectriquement. 10.- Procédé de formation d'une ouverture dans un masque, le pourtour de l'ouverture étant défini par une surface en biseau, caractérisé en ce qu'il 20 comprend : la formation du masque sur la surface du substrat, le masque pouvant être décapé avec une vitesse de décapage variable, commandée et qui diminue depuis la surface du masque jusqu'à la surface du substratj la formation de l'ouverture dans le masque en décapant le masque depuis sa surface jusqu'à la surface du substrat, et se, en utilisant un décapant 25 à travers une ouverture dans un masque de commande disposé sur le masquej et la poursuite du décapage du masque jusqu'à ce que l'ouverture à travers toute l'épaisseur du masque jusqu'à la surface du substrat soit terminée de telle sorte que l'élimination du matériau du masque soit plus importante à la surface du masque qu'à la surface du substrat et diminue proportionnellement à la profondeur de décapage, ce qui permet d'obtenir la surface en biseau 30 autour de l'ouverture. 11.» Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outres 70 34361 11 2075939 le dépfit de plusieurs couches du matériau, dans des étapes séparées pour former le masquej le bombardement du matériau après le dépôt avec des ions d'un élément inerte, les ions ayant un niveau d'énergie de 50 Kev à 100 Kevj 5 et l'augmentation de la dose d'ions de chaque bombardement de telle sorte que la dose ionique soit au moins deux fois la dose ionique du bombardement de la couche précédente. 12." Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les ions de l'élément inerte sont choisis dans le groupe des éléments inertes comprenant 10 l'argon et le néon.