Brevet FR2105085A1 — publié le 19720428

La présente invention est relative à la fabrication de dispositifs semiconducteurs et elle a trait, plus particulièrement, au traitement de pastilles semiconductrices, afin de réaliser une oxydation sélective ét ainsi de déterminer ltépaisseur de l'oxyde en des emplacements choisis de la surface d'une pastille. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, on fabrique un transistor à effet de champ à grille isolée en utilisant une couche de nitrure de silicium qui sert d'abord de masque de diffusion, ensuite de barrière d'oxydation et enfin de diélectrique de la grille. Dans la fabrication de transistors à effet de champ à grille isolée, il est très important d'obtenir un alignement précis du diélectrique de la grille et de l'électrode de grille avec la région de grille du corps semiconducteur. Tout décalage est coûteux puisque l'asymétrie qui en résulte affecte défavorablement la fiabilité du dispositif et peut diminuer considérablement le nombre de dispositifs répondant aux caractéristiques de conception. On a récemment mis au point des techniques diverses pour aligner automatiquement l'ensemble formant la grille, mais ces techniques ne permettent de réduire suffisamment ni la capacité de recouvrement, ni les hauteurs de discontinuités ou gradins de surface. Si le diélectrique de la grille et la structure de l'éléctrode de grille recouvrent les zones de source et de plaque, on introduit une capacité parasite qui limite considérablement les caractéristiques de fréquence du dispositif. L'augmentation de l'épaisseur de l'isolant qui est adjacent au diélectrique de la grille tend à réduire cette capacité ; toutefois, les hauteurs de gradins plus grandes qui sont ainsi introduites à la surface de la pastille peuvent nuire considérablement aux résultats obtenus au cours de l'opération de métallisation ultérieure. L'invention a donc pour buts - de mettre au point des techniques perfectionnées pour le traitement de pastilles semiconductrices. L'invention vise en particulier à créer un procédé d'oxydation sélective qui soit particulièrement utile dans la fabrication de transistors à effet de champ à grille isolée - de réduire les hauteurs de gradins de surface qui caractérisent normalement les pastilles semiconductrices ayant des couches d'isolation dont les portions relativement -minces et relativement épaisses sont situées dans des zones adjacentes du dispositif - de créer un procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ à grille isolée dont la capacité de recouvrement est réduite et dont la plage de fréquence est considérablement accrue. Suivant un premier mode de mise en oeuvre, le procédé suivant l'invention, pour déterminer sélectivement l'épaisseur d'au moins une portion d'une couche d'oxyde de silicium sur un corps semiconducteur, est caractérisé en ce qu'il consiste à former une couche de nitrure de silicium sur ladite portion de la couche d'oxyde de silicium, et à exposer le dispositif à une atmosphère oxydante de sorte que -le silicium est oxydé afin de former de l'oxyde de silicium d'épaisseur accrue à des emplacements non recouverts de nitrure, alors que l'épaisseur des régions qui sont protégées par le nitrure n'augmente pas de façon appréciable. La caractéristique clé de ce mode de mise en oeuvre consiste en ce que le nitrure de silicium est capable d'agir comme barrière envers une atmosphère oxydante comprenant de l'oxygène ou de la vapeur, par exemple. Suivant un autre mode de réalisation, un procédé de diffusion et d'oxydation sélectives consiste à former une pellicule d'oxyde de silicium adhérant à un corps en silicium et présentant des ouvertures pour exposer des zones de surface choisies du corps en silicium. Une pellicule adhérente en nitrure de silicium est également formée sur des portions choisies du corps. La nitrure est formé soit en contact direct avec la surface du silicium, soit sur une partie de la pellicule d'oxyde de silicium. Ensuite, le dispositif est exposé à une impureté qui détermine le type de conductivité, dans une atmosphère oxydante, de sorte que l'impureté est diffusée sélectivement dans les zones de surface exposées du corps simultanément à l'oxydation sélective du silicium dans les régions qui ne sont pas protégées par le nitrure.La combinaison de la diffusion et de l'oxydation sélectives peut être réalisée en même temps en une seule opération, ou, suivant une variante comme une opération séquentielle au cours de laquelle la diffusion sélective est réalisée au moins partiellement avant le stade d'exposition du corps à une atmosphère oxydante. En d'autres termes, un dépôt préalable de l'impureté déterminant le type de conductivité est réalisé avantageusement sous atmosphère non-oxydante et suivi d'un stade de pénétration réalisé sous atmosphère oxydante. Dans un tel mode de mise en oeuvre, la couche de nitrure sert à la fois de masque de diffusion et de barrière d'oxydation. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ à grille isolée qui débute par un stade de réalisation d'un masque adhérent perforé en oxyde de silicium sur un corps semiconducteur monocristallin d'un premier type de conductivité, le masque étant ensuite muni dans les régions choisies d'une pellicule imperméable à l'oxygène, par exemple en nitrure de silicium. Les zones perforées du masque en oxyde de silicium définissent des emplacements des régions de source et de plaque qui sont à réaliser par diffusion sélective, tandis que la pellicule imperméable à l'oxygène définit l'empla- cement de la région de grille. Ensuite, le corps semiconducteur masqué est exposé à un matériau de dopage approprié qui introduit le type de conductivité opposé dans les régions de surface perforées du semiconducteur. En général, ce stade consiste en un dépôt préalable du matériau de dopage que l'on doit ensuite faire pénétrer. Le semiconducteur masqué sur lequel le matériau de dopage est préalablement déposé est exposé à une atmosphère oxydante dans des conditions de diffusion de sorte que le matériau de dopage est entralné plus profondément dans le silicium, la surface du silicium étant oxydée sélectivement à des emplacements qui ne sont pas protégés par la pellicule imperméable à l'oxygène. L'ensemble est ensuite pourvu d'une pellicule métallique mince pour former une électrode de grille sur la pellicule imperméable à l'oxygène, simultanément à la formation d'électrodes de source et de plaque qui s'étendent à travers l'oxyde pour venir en contact avec les régions de source et de plaque. Au cours de la séquence d'opérations ci-dessus, la pellicule imperméable à l'oxygène et l'oxyde sous-jacent forment le diélectrique de la grille. Le composant qui en résulte a une tension de seuil de 5,5 à 5,5 Volts. Un tel seuil est nettement plus élevé que celui auquel on pourrait s'attendre en raison de la présence des atomes d'oxygène libres qui migrent vers l'oxyde de grille au cours de la phase d'oxydation et de pénétration de l'opération. Par conséquent, dans une variante de réalisation, on obtient une tension de seuil plus faible de l'ordre de 1,8 à 2,5 Volts en éliminant le diélectrique de grille initial après la diffusion et l'o- xydation et en fournissant un nouveau diélectrique de grille ayant une densité d'état de surface réduite. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple les Fig. 1 à 4 sont des vues à grande échelle et en coupe d'une pastille en silicium monocristallin, montrant divers stades intermédiaires de fabrication d'un transistor à effet de champ à grille isolée ayant une tension de seuil relativement élevée la Fig. 5 montre une vue agrandie et en coupe d'un dispositif complet fabriqué par le procédé représenté sur les Fig. 1 à 4 ; les Fig. 6 à 8 sont des vues agrandies et en coupe montrant, en combinaison avec les Fig. 1 à 4, une autre séquence d'opérations pour la fabrication d'un autre mode de réalisation de l'invention ; la Fig. 9 est une vue en coupe d'un transistor à effet de champ fabriqué suivant la variante de mise en oeuvre des Fig. 6 à 8 et présentant une tension de seuil relativement faible. Comme représenté sur la Fig. 1, on voit que le procédé commence par le choix d'une pastille 11 en silicium monocristallin du type de conductivité N réalisée par dopage au phosphore ou à l'antimoine jusqu'à une concentration donnant une résistivité comprise généralement entre 1 et 10 ohms-centimètre. La pastille 11 est munie d'une couche 12 en silice et d'une couche 13 en nitrure de silicium, au moyen de techniques connues. Par exemple, la couche d'oxyde est obtenue par oxydation thermique à une température d'environ 10000C pendant une durée suffisante pour obtenir une épaisseur de 400 à 600 Angströms, de préférence. La couche de nitrure de silicium a une épaisseur de 600 à 800 Angströms de préférence et elle est déposée, en général, par la réaction de silane avec de l'ammoniaque à une température de 700 à 9000C. Sur la Fig. 2, on voit la pastille 11 après le traitement des couches 12 et 13 pour former les ouvertures 14 et 15 qui définissent les emplacements des régions de source et de plaque qui sont à réaliser dans la pastille 11 par diffusion sélective. Une technique préférée pour perforer les couches 12 et 15 consiste à déposer un masque en chrome ou en molybdène et à utiliser ensuite une solution de décapage acqueuse d'acide fluorhydrique ayant une sncentration de 0,2 à 2,0 ffi à 80 C. Le décapage dans ces conditions est avantageux étant donné que les vitesses de décapage de l'oxy- de et du nitrure sont à peu près égales, ce qui évite des dénivellations ou une gravure trop profonde.Un dopant au bore est alors préalablement déposé à une température élevée jusqu'à l'obtention d'une concentration de surface d'au moins 5 shms par carré et de préférence de 10 à 50 ohms par carré, pour former les régions superficielles 16 et 17 de conductivité du type P. Comme représenté sur la Fig. 3, des portions du masque 13 en nitrure sont ensuite enlevées sélectivement en ne laissant que la portion qui définit la région de diélectrique de la grille. L'élimination sélective du nitrure est obtenue par masquage avec un matériau de réserve photographique tel que le K M E R, par exemple, et par décapage à l'acide fluorhydrique dilué, comme indiqué ci-dessus. Sur la Fig. 4, on voit que la pastille est ensuite soumise à des conditions de diffusion et d'oxydation de sorte que le matériau de dopage des régions 16 et 17 est entraîné plus profondément dans le semiconducteur, en même temps de l'oxyde de silicium croit sélectivement sur tous les emplacements de la surface qui ne sont pas protégés par les portions restantes de la couche de nitrure 15. On fait croître l'épaisseur de l'oxyde épais Jusqu'à au moins un demi-micron et, de préférence, jusqu'à au moins 1,0 micron. Dans un mode de réalisation particulier, le diélectrique de grille comprenant l'oxyde et le nitrure a une épaisseur de 0,12 micron, l'oxyde adjacent ayant une épaisseur de 1,2 micron.Etant donné que l'oxyde thermique remplace une couche de silicium dont l'épaisseur est pratiquement égale à la moitié de celle de l'oxyde, on obtient une hauteur de gradins à la surface de 0,54 micron entre le diélectrique de grille et l'oxyde adjacent, cette hauteur étant égale à la moitié de celle qui est caractéristique de la technique antérieure. Des trous 19 et 20 sont ensuite décapés dans la couche d'oxyde 18 pour constituer des accès pour les contacts ohmiques des régions de source-et de plaque, respectivement. Sur la Fig. 5, on voit un dispositif complet comprenant des contacts de source et de plaque 21 et 22 en combinaison avec l'é- lectrode de grille 25. Le mode de réalisation représenté concerne un transistor à effet de champ à grille isolée à canal P et mode d'enrichissement. Il est évident que d'autres modes de réalisation comprenant des dispositifs à mode d'appauvrissement du type P à mode d'enrichissement du type N et à mode d'apprauvrissement du type N appartient au cadre de l'invention. Il est important de noter que la région de canal 24 du corps semiconducteur est située dans un mésa en raison de la transformation du silicium adjacent en oxyde. Il en résulte une capacité de recouvrement faible et des hauteurs de gradins de surface réduites. Afin de fournir des tensions de seuil plus faibles, on prévoit une variante qui implique un traitement supplémentaire de l'agencement de la Fig. 4. Ce traitement sert à enlever le diélectrique de grille initial pour former la fenêtre 25 représentée sur la Fig. 6. Cette élimination est réalisée, par exemple, par une immersion durant 7 minutes de la pastille dans une solution aqueuse d'acide fluorhydrique à 0,5% à 800C. Un nouveau diélectrique de grille est alors obtenu par oxydation thermique, par exemple, afin de fournir une couche 26 en oxyde de silicium ayant une épaisseur de 400 à 600 Angströms qui est ensuite couverte par le dépôt d'une couche 27 de nitrure de silicium jusqu a une épaisseur de 600 à 800 Angströms. On rouvre alors les fenêtres 19 et 20 (Fig. 8) et on métallise ensuite pour réaliser des électrodes 28, 29 et 30 (Fig.9) afin de compléter un transistor à effet de champ à grille isolée et à mode d'enrichissement dont la tension de seuil est de 1,8 à 2,5 Volts, caractéristique qui s'ajoute à celles qui sont énoncées à propos de la Fig 5. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ, à grille isolée dans lequel un masque en oxyde de silicium est formé sur un corps en matériau semiconducteur et des dopants sont diffusés à travers des ouvertures du masque, caractérisé en ce qu'on forme une pellicule imperméable à l'oxygène sur des zones choisies du masque d'oxyde de silicium, on a introduit un dopant approprié dans le corps semiconducteur, d'un type de conductivité opposé à celui de ce corps, on soumet le corps masqué à une atmosphère oxydante de sorte que la surface de silicium est oxydée sélectivement suivant une configuration donnée en des emplacements qui ne sont pas protégés par ladite pellicule imperméable à l'oxygène et on métallise l'ensemble afin de former une électrode S grilisur ladite pellicule imperméable à l'o- xygène simultanément à la formation d'électrodes de source et de plaque s'étendant à travers l'oxyde pour venir en contact avec les régions du type de conductivité opposé. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule imperméable à l'oxygène est en nitrure de silicium. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps en matériau semiconducteur est du silidum du type N, le dopant étant du bore. 4 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps en matériau semiconducteur est du type P, le dopant étant du phosphore ou de l'antimoine. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche d'oxyde qui se troue audessous de la couche de nitrure à une épaisseur de ou 05 à 0,25 micron les parties non protégées de la couche d'oxyde de silicium ayant une épaisseur de 0,5 à 2,2 microns. 6 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le nitrure de silicium à une épaisseur d'au moins 600 A ngs tröms. 7 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pellicule en nitrure de silicium est formée directement sur le corps semiconducteur. 8 - Transistor à effet de champ à grille isolée fabriqué à l'aide du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un corps semiconducteur monocristallin d'un certain type de conductivité, ayant une première région de surface située entre des seconde et troisième régions de surface, ces dernières étant en retrait par rapport à la première région de surface, une première région semiconductrice du type de conductivité opposé} prévue dans ledit corps s'étendant le long de la surface desdites première et seconde régions de surface, une seconde région semiconductrice du type de conductivité opposé, prévue dans le corps et s'étendant le long de la surface des première et troisième régions de surface, une première couche diélectrique relativement mince couvrant ladite première région de surface, une seconde eouche diélectrique relativement épaisse couvrant les seconde et troisième régions de surface, une électrode métallique couvrant la première diélectrique, et un contact ohmique s'étendant à travers la seconde couche diélectrique et étant en contact avec lesdites première et seconde régions de conductivité Opposées respectivement. 9 - Transistor suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la surface de la région en retrait est située à 0,1 à 1,0 micron en-dessous de la surface de la première région de surface. IO - Transistor suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la couche diélectrique couvrant la première région semiconductrice a une épaisseur d'environ 0,05 à 0,5 micron et la couche diélectrique couvrant les secondecet troisième régions semiconductrices a une épaisseur de 0,5 à 2,0 microns.