Brevet FR2104645A1 — publié le 19720421

La présente invention concerne les circuits semiconducteurs intégrés comportant plusieurs caissons isolés au sein d'un bloc de matériau semiconducteur. Les techniques monolithiques de circuits intégrés sont connues. Elles permettent de réaliser sur un bloc unique d'un certain semiconducteur tous les 5 composants actifs ou passifs d'un circuit. Des montages complexes sont ainsi obtenus sous un petit volume sans que l'on ait à réaliser des connexions dans un stade ultérieur. Il est souhaitable qu'au sein d'un tel bloc les circuits distincts soient isolés électriquement les uns des autres. Chacun dB ces circuits est alors com-10 partimenté dans un caisson et les divers caissons sont isolés de la masse commune du substrat. Une méthode de préparation généralement employée consiste à façonner la surface d'un bloc semiconducteur (silicium Bn général} en formant des évidements et des saillies puis de les recouvrir d'un revêtement isolant. On fait croître 15 ensuite du silicium polycristallin sur l'isolant puis on procède à l'abrasement du semiconducteur à partir de la face apposée jusqu'à atteindre et mettre â nu le silicium polycristallin présent dans les évidements. On obtient ainsi des caissons remplis de silicium monocristallin et séparés du substrat en silicium polycristallin par des revêtements isolants. 20 Dans l'art connu, les caissons sont constitués d'un seul monocristal de silicium. Le substrat utilisé est du silicium polycristallin. L'isolant utilisé est en général de la silice. Les corps employés sont par conséquent compatibles. L'utilisation des corps compatibles a pour inconvénient de ne permettre que l'emploi des semiconducteurs 25 au silicium ce qui offrs insuffisamment de souplssss dans la réalisation des circuits intégrés. La dispositif suivant l'invention permet d'éviter cet inconvénient. Il permet d'obtenir des fonctions électroniques plus variées que selon les techniques connues. 30 La présente invention a notamment pour objet un procédé de fabrication de circuit semi-conductsur intégré, procédé selon lequel on crée au sein d'un bloc semiconducteur monocristallin une couche isolante séparant électriquement les uns des autres plusieurs caissons semiconducteurs, procédé caractérisé en ce que préalablement à cetts création, on pratique au sein dudit bloc au moins un loge-35 ment dans lequel on dispose par épitaxie un autre matériau semiconducteur, de manière è réaliser la continuité des réseaux cristallins, ladite couche isolante étant ensuite créée de manière à séparer cet autre matériau de l'ensemble'du bloc. En se référant aux figures schématiques, on va décrire, ci-après, un exemple de mise en Oeuvre de la présente invention, exemple donné à titre purement illus-tratif et nullement limitatif. Les mêmes éléments représentés sur plusieurs de ces 70 10381 2 2104645 .figures portent sur toutes celles-ci les mêmes références. Les 'figures 1 à 7 représentent les coupes transversales schématiques de la pastille semiconductrice aux différents stades de sa fabrication. La figure 8 représente une vue perspective schématique des caissons obtenus. 5 Sur la figure 1 est représentée une pastille semiconductrice constituée de silicium monocristallin 1. On fait croître thermiquement ou par une autre méthode une couche 2 de bioxyde de silicium sur toute la surface du silicium monocristallin. A l'aide de techniques habituelles de masquages photolithographiques, on 10 enlève sélectivement le bioxyde de silicium par une attaque chimique'adéquate. » Cette attaque est menée dans des zones prédéterminées, ce qui a pour effet de découvrir le silicium monocristallin. Une fois enlevés tous les résidus d'attaque et de masquage la pastille est soumise à un traitement chimique qui permet d'attaquer le silicium et non le bioxyde de silicium créant ainsi une tranchée d'isolement 15 dont la coupe est visible en 4 sur la figure 2. Un procédé d'attaque a été décrit dans un brevet.français no 1 562 993 déposé par la Demanderesse le 1er février 19B8. Ensuite on fait croître un dépôt de germanium au cours d'une opération d'épitaxie en phase gazeuse dans un réacteur approprié à une température inférieure à la température de fusion du germanium. Au contact de la silice 2, ce dépôt se 20 développe sous formecfeigermanium polycristallin 5. Dans la tranchée d'isolement 4, il se développe sous forme de germanium monocristallin 6 par suite de son contact avec une structure monocristalline de silicium 1. Le résultat de cette opération est représenté sur la figure 3. .On abrase ensuite par rodage et polissage la couche 5 de germanium polycris-25 tallin jusqu'à" atteindre les couches monocristallines de silicium et de germanium. On voit sur la figure 4 le résultat obtenu. Ensuite, on procède au masquage de certaines parties de la pastille par la technique des résines photorésistives. On enduit la totalité de la surface du substrat" par une émulsion photosensible puis on dispose un masque photographique 30 cachant les frontières 7 entre le germanium monocristallin 6 et le silicium mono-cristallin 1 et les frontières 8 d'un caisson futur qui sera décrit ci-après. Après exposition a une lumière ultraviolette, l'image est développée puis fixée, laissant le substrat à nu en 7 et 8, On procède ensuite à l'attaque "chimique du substrat créant des évidements en 7 et 8. Au stade suivant, on procède à une oxydation 9 de 35 toute la surface y compris les évidements de façon à obtenir une couche de protection isolante pouvant être de la silice, de l'alumine,-du nitrure de silicium ou toute autre substance diélectrique, La figure 5 montre le résultat obtenu à ce stade de la fabrication. En se reportant à la figure 6, on voit que l'on forme une couche 10 de sili-cium polycristallin sur la couche d'oxyde 9 en utilisant un des nombreux procédés 70 10381 3 2104645 utilisés pour la dépSt de silicium sur un substrat par exemple par une réduction du tétrachlorure de silicium. On procède ensuite à l'abrasion à partir de la face opposée à la face 10 jusqu'à une ligne pointillée 11 de façon à atteindre la couche de silicium polycristallin contenue dans las évidements 7 et 8. On obtient ainsi 5 des caissons de germanium monocristallin 6 et de silicium monocristallin 12. Ces caissons sont bien isolés par une couche d'oxyde 9 et sont disposés sur un support mécanique de silicium polycristallin 10. Le résultat obtenu est représenté sur la figure 7. Pour obtenir un caisson rempli d'un autre corps semiconducteur tel que du phosphure de gallium par exemple, on interpose des étapes supplémentaires aux stades représentés par les figures 1 à 4. On reprend le creusement d'une autre tranchée d'isolement et on y fait croître le nouveau corps sous une forme mono-cristalline. On obtient alors trois caissons de corps monocristallins de germanium 6, da ^5 silicium 12, et de phosphure de gallium 13 disposés sur un support de silicium polycristallin (figure 8]. Pour obtenir des diodes et des transistors on procède maintenant au dopage des impuretés qui peuvent être du type N ou P ou du type N et P. On utilise la diffusion thermique dans un four à haute température au travers de masques ménagés dans un oxyde que l'on obtient à la surface des semiconducteurs monocristallins. Le monocristal est mis en présence d'une forte concentration d'impuretés agissant à l'extérieur du corps semiconducteur et se dissolvant en phase solide dans ce cristal quand on le porte à une température suffisante de l'ordre de 1000°C. Mais les corps utilisés dans l'invention présentent des points de fusion différents. Aussi, on n'utilise la méthode de diffusion thermique que pour les corps ayant les plus bas points de fusion. Pour cela on peut commencer par la diffusion thermique du phosphure de gallium et continuer par celle du germanium dont le point de fusion est peu différent. Pour le corps comme le silicium monocris- on tallin ayant des points de fusion plus élevés, on utilise la méthode de diffusion par implantations d'ions. De cette façon, sur le même substrat, on peut obtenir une photodiode de germanium, un amplificateur au silicium et une diode électroluminescente de phosphure de gallium. La photodiode de germanium peut être soumise à un rayonnement infrarouge 35 compris entre 0,6 et 1,6 microns capable de générer des paires électron-trou. Le signal produit sur la photodiode est amplifié par un circuit approprié au silicium et appliqué à la diode électroluminescente GaP émettant une lumière visible. On réalise de cette façon une conversion de lumière infrarouge en une lumière visible, cette conversion s'effectuant en un temps très court, de l'ordre 40 de 1 nanoseconde, parce que tous les éléments sont contenus dans des caissons 70 10381 4 2104645 .accolés. Bien que le dispositif qui vient d'être décrit paraisse le plus avantageux, on comprendra que diverses modifications peuvent lui être apportées sans sortir du cadre de l'invention, certains des éléments du dispositif pouvant être rempla 5 cés par d'autres susceptibles d'y assurer la mime fonction technique. Pour la fonction détection, le germanium "peut être remplacé par du silicium du GaAs bu tout autre corps semiconducteur détecteur de rayonnement. Pour la fonction émission, le G.aP peut être remplacé par du GaAs, par du GaAsP par.du GaAIAs, ou tout autre composé semiconducteur apte à réaliser un 10 émetteur de lumière. • 70 10381 5 2104645 REVENDICATIONS 1/- Procédé de fabrication de circuit semiconducteur intégré, procédé selon lequel on dépose sur la face avant d'un substrat formé d'un premier matériau semiconducteur au moins un deuxième matériau semiconducteur dont la nature 5 diffère de celui du substrat, procédé caractérisé en ce qu'on creuse au sein dudit substrat au moins un logement dans lequel on dépose par épitaxie ledit deuxième matériau semiconducteur de manière à réaliser la continuité des réseaux cristallins, puis on creuse des évidements de façon à englober les parois de ce logement, puis*on crée un revêtement formé d'une couche isolante sur toute la ■JO surface, y compris lesdits évidements, puis on fait croître une masse poly- cristalline du premier matériau sur ce revêtement puis on abrase la face arrière du substrat jusqu'à mettre à nu cette masse polycristalline au fond de ces évidements de manière à réaliser des caissons dudit deuxième matériau isolés électriquement les uns des autres et de ladite masse. 15 2/- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant de creuser ledit logement, on crée sur ladite face avant une couche isolante, puis on creuse ledit logement en perçant cette couche, puis on dépose ledit deuxième matériau sur cette face avant, puis on abrase cette face jusqu'à enlèvement de cette coucha. 20 3/- Circuit intégré pour la détection de rayonnement infrarouge, circuit obtenu selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit' substrat est constitué de silicium, ledit deuxième matériau est du germanium, le caisson constitué par ce germanium étant traité ultérieurement de manière à constituer une photodiode, au moins un caisson de silicium étant traité de manière 25 à constituer un amplificateur du signal fourni par ladite photodiode. 4/- Circuit intégré pour la conversion de rayonnement infrarouge en lumière visible, circuit obtenu selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit substrat est constitué de silicium, qu'un dit deuxième matériau est choisi dans le groupe comportant le germanium et l'arséniure de 30 gallium afin de constituer un détecteur de lumière, qu'un troisième matériau est choisi dans le groupe comportant le phosphoarséniure de gallium, l'arséniure de gallium et l'aluminoarséniure de gallium afin de constituer un émetteur de lumière.