Brevet FR2064138A1 — publié le 19710716

La présente invention se rapporte aux procédés de fabrication de dispositifs semiconducteurs et elle concerne, plus particulièrement, un procédé permettant d'obtenir des dispositifs semiconducteurs dont les contacts métalliques a metteur sont exactement centrés par rapport à la zone émettrice, ou des dispositifs semiconducteurs dans lesquels la zone émettrice est de dimension particulièrement réduite, bien inférieure à celles que l'on peut obtenir en utilisant les techniques de masquage classiques avec une matière photo résistante et une attaque chimique subséquente. Comme il est bien connu, il existe, dans la technologie des semiconducteurs, une tendance générale à l'obtention de dispositifs de dimensions de plus en plus réduites ; cela permet normalement d'obtenir des performances électriques plus élevées. Cependant, les limitations rencontrées en suivant cette voie sont multiples ; l'on csnsi- dère, par exemple, l'état connu de la technique qui permet de délimiter des ouvertures dans une couche de masquage et d'ef fectuer la diffusion d'éléments de dopage dans des régions déterminées d'une plaquette de matière semiconductrice.En se référant au dessin annexé, on peut considérer, par exemple, une plaquette ou "pastille" de silicium de type P (figure 1), On recouvre cette pastille, par oxydation thermique, d'une couche d'oxyde de silicium 1 (figure 2) ; on dépose ensuite, sur la couche i, une couche de matière photorésistante 2 (figure )) ; puis l'on expose cette matière photorésistante à travers un masque 4 mis en contact direct avec la surface de la pastille (figure 4), opération suivie par-des opérations de développement de la matière photorésistante (figure 5) et d'attaque chimique de la couche d'oxyde de silicium (figure 6) ; enfin, on élimine la matière photorésistante (figure 7). Une première limitation à l'utilisation de la technique décrite provient d'effets de réfraction aux bords des zones opaques du masque 4 (figure 4a) ; pendant le stade d'exposition, la lumière pénètre sous la région opaque et, par l'effet de réflexions multiples sur la surface réfléchissante de la pastille et sur la surface supérieure de la couche d'oxyde 1, provoque la polymérisation de la matière photorésistante mtme à l'intérieur de la zone protégée. Lorsque l'on désire des ouvertures de dimension fortement réduite, il peut se produire la situation représentée sur la figure 5a, dans laquelle la couche photorésistante 2 n'est que partiellement éliminée et empêche ainsi l'attaque chimique régulière de la couche d'oxyde de silicium sous-jacente 1.On peut éliminer ce phénomène en réduisant l'intensité lumineuse de l'exposition mais, dans cet exemple, on obtient l'effet opposé, c'est-à-dire qu'il se produit une polymérisation incomplète de la couche photorésistante aux bords, ce qui entraine un agrandiSsement de la fenêtre au-delà des limites fixées par le masque. Un second facteur de limitation est causé par la propagation latérale de l'attaque chimique dans la couche d'oxyde ; le contour des ouvertures obtenues en pratique est représenté schématiquement sur les figures 6a et 7a, dans lesquelles la couche d'oxyde de silicium et celle de a matière photorésistante sont encore désignées par les mêmes références i et 2. Il faut garder présent à l'esprit le fait que l'attaque de la couche d'oxyde, sous la couche photorésistante, représente un inconvénient de l'art antérieur ; en outre, dans le cas d'attaques prolongées, il peut se produire un soulèvement de la couche photorésistante, avec les dégâts pour la pastille qui en résultent. Par conséquent, en pratique, sauf -si l'on a recours à des procédés particulièrement élaborés qui ne sont pas applicables à la production en série, il est impossi- ble d'obtenir des ouvertures de dimension minimale inrérieure à 2 microns. On rencontre d'autres difficultés dans la fabrication de dispositifs semiconducteurs lorsqu'il faut aligner une ouverture donnée avec une configuration ou un motif précédemment formé sur la pastille (figures 8 et 9). Sur la pastille de matière semiconductrice (figure 8), à l'ln- térieur d'une fenêtre précédemment formée dans la couche d'oxyde de silicium 6, on dépose une autre couche d'oxyde de silicium 7 dans laquelle on forme une autre fenêtre 8 (figure 9) ; dans les conditions idéales, cette fenêtre doit être en concordance exacte avec la précédente, comme le montre la figure 9, mais dans la pratique réelle, elle peut être considérablement décalée par rapport à celle-ci, comme le montre la figure 10. Il faut se rappeler que les motifs à aligner présentent une récurrence périodique sur la pastille et sur le masque et, par conséquent, il faut réaliser l'alignement de façon satisfaisante, non seulement en des points isolés mais également sur toute la surface de la pastille. Les raisons du non alignement ou décalage de la fenêtre 8 de la figure 10 sont dues essentiellement aux raisons suivantes - à des erreurs commises par l'opérateur pendant l'opération manuelle d'alignement du masque par rapport à la pastille - à un accouplement imparfait du masque, avec lequel le premier motif a été constitué, par rapport au masque utilisé ensuite - a une différence entre les coefficients de dilatation thermique du masque et de la pastille. A cause des raisons exposées plus haut, la tolérance requise pour une opération de masquage ne peut absolument pas être facilement réduite à moins de 2 microns. Selon l'invention, on propose un procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs permettant d'éviter les inconvénients mentionnés plus haut. Selon l'invention, un procédé de fabrication de dispositif semiconducteurs est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un stade d'attaque au moyen d'un agent chimique, de deux couches de matière déposées sur une sur- face dudit dispositif, dans lequel la matière de la couche supérieure, interrompue de façon appropriée pour délimiter un contour ou pourtour approprié, joue le rale de masque pour la couche inférieure pendant l'opération d'attaque chimique, et dans lequel la matière de la couche inférieure présente une résistance à l'attaque par ledit agent chimique qui est notablement inférieure à la résistance de la matière de l'autre couche, de manière que, pendant cette attaque qui a lieu à travers ledit masque, il soit possible d'éliminer, de façon réglée, une quantité donnée de matière de la couche inférieure, sous le masque et suivant le contour de ce dernier. La matière constituant la couche supérieure peut être le nitrure de silicium (SiDN4), tandis que celle qui constitue la couche inférieure peut être l'oxyde de silicium (SiO2), et l'agent d'attaque chimique peut être l'acide fluorhydrique (fluorure d'hydrogène, HF), ou encore la matière constituant la couche supérieure peut être l'oxyde de silicium (Si02) et celle qui constitue la couche inférieure peut être le nitrure de silicium (SiN4) , et l'agent d'attaque chimique peut être l'acide phosphorique (U3P04). D'un point de vue général, l'invention permet d'obtenir, en partant d'une configuration - ou motif réalisée sur la pastille par un procédé de photogravure connu, une seconde configuration - ou motif - de dimensions supérieures ou inférieures à celles de la précédente et parfaitement alignée avec elle. Pour permettre une meilleure compréhension de la présente invention, on décrira à présent un mode de réalisation particulier de celle-ci, uniquement à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexés sur lequel les figures il à 15 montrent les étapes préliminaires de fabrication d'un dispositif semiconducteur selon l'invention ;; les figures 16 à 19 montrent les étapes suivantes de fabrication d'un dispositif semiconducteur lorsqu'on met en oeuvre le procédé selon l'invention pour obtenir des dispositifs semiconducteurs à zones émettrices de dimension particulièrement réduite les figures 20 à 23 illustrent les étapes suivantes de fabrication d'un dispositif semiconducteur lorsqu'on met en oeuvre le procédé de l'invention pour obtenir des dispositifs semiconducteurs centrés assez exactement par rapport à la zone émettrice. Selon le procédé de l'invention, une pastille 10 de matière semiconductrice est recouverte de deux couches, c'est-à-dire une couche inférieure 11 (figure 11) et une couche supérieure 12, respectivement, de matières différentes présentant les propriétés suivantes : on peut les appliquer sur la pastille 10 sous forme de couche mince 2 on peut les masquer selon les techniques de photogravure connues ; on peut les attaquer de façon sélective, c'est-à-dire qu'il existe, pour chacune des deux matières, un agent chimique capable d'attaquer l'une desdites matières tout en laissant l'autre intacte ou attaquée à un degré beaucoup plus faible ; enfin, ces matières présentent de bonnes propriétés adhésives, à la fois pour leur contact mutuel et en ce qui concerne le substrat constitué par la pastille 10. En partant de la plaquette ou pastille de matière semiconductrice 10 recouverte des couches 11 et 12, on masque la couche supérieure 12, puis l'attaque suivant un procédé de photogravure connu, de façon à obtenir l'une des deux configurations représentées sur la figure 12a ou sur la figure 12b. La couche supérieure photogravée 12 sert de masque pour une attaque chimique sur la couche infé- rieure 11, en utilisant un réactif approprié, ce qui permet d'obtenir l'une des deux structures représentées sur les figures 13a ou t3b. Si la durée de séjour de la pastille 10 dans la solution du réactif est prolongée, il se produit une attaque latérale sur la couche inférieure, sous le masque formé par la couche supérieure 12.On peut régler leimpors tance de cette attaque latérale par un contrEle visuel avec microscope ou en réglant la durée de séjour de la pastille dans la solution de réactif (figures 14a et 14b). Les figures 15a et 15b sont respectivement deux vues en plan des configurations obtenues sur la pastille 10 en mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessus. On a transforme le masquage initial, obtenu sur la couche supérieure 12 en utilisant un procédé de photogravure clas- sique, sur la couche sous-jacente, en une configuration qui reproduit la forme de la configuration précédente, mais avec des dimensions plus grandes (figure 15a) ou une dimen sinon réduite (figure 15b). Puisqu'il ne faut pas d'opération d'alignement pour passer de l'une à l'autre des configurations mentionnées plus haut, les régions ou zones délimitées dans la couche supérieure 12 et dans la couche inférieure 1, respectivement, seront parfaitement alignées, non seulement en des points particuliers, mais sur toute la surface de la pastille que l'on traite. Comme il apparaîtra, on peut modifier le relue ou la fonction des deux matières constituant respectivement la couche supérieure et la couche inférieure, en modifiant les réactifs de façon correspondante. Comme paires de matières qui sont particulièrement appropriées pour constituer la première couche et la seconde couche, on peut citer, par exemple, les suivants :: * 1ère couche 2eme couche Oxyde de sili Nitrure de silicium (Si3N4) Oxyde de silicium (SiO2) Oxyde de silicium (SiO2) Oxyde d'aluminium (Al203) oxyde d'aluminium (Al203) Oxyde de silicium (site) Oxyde de silicium (SiO2) Silicium polycristallin (Si) Silicium polycristallia (Si) Oxyde de silicium (SiO2) Nitrure de silicium (Si3N4) Silicium polycristallin (Si) Silicium polycristallin (Si) Nitrure de silicium (Si3N4) Oxyde d'aluminium (A1203) Silicium polycristallin (Si) Silicium polycristallin (Si) Oxyde Bs d'aluminium (Al2O3) On peut appliquer le procédé de l'invention, qui vient être décrit, à la fabrication de dispositifs semiconducteurs comportant des régions ou zones émettrices de dimensions particulièrement réduites et, en particulier, pour obtenir des transistors bipolaires présentant de minces zones de diffusion, destinés, par exemple, à être utilisés comme amplificateurs radiofréquence dans des dispositifs d'accord de télévision à très haute fréquence. On ne peut obtenir de tels transistors, à caractéristiques élevées, qu avec des zones ou bandes émettrices de largeur particulièrement réduite. On va supposer, à présent, qu'il faut obtenir un dispositif semiconducteur en utilisant le procéda qui vient d'être décrit Dans cet exemple, on peut partir diune structure du type de celle représentée sur la figure 14b qui a été reproduite sur la figure 16. La couche supérieure a été attaquée selon un procédé de photogravure classique et ses dimensions sont telles qu'elle donne naissance à une bande à bords réguliers et bien définis. L'attaque chimique subséquente, pour éliminer la matière de la couche inférieure il dans les zones exposées et également sous le masque rigide formé par la couche supérieure 12, est ajustée de façon que la largeur finale de la bande obtenue à partir de la matière de la couche inférieure il soit considérablement réduite par rapport à la largeur du masque qui la surplombe. La largeur de la bande de la couche supérieure est, de préférence, de 5 microns, tandis que la largeur de la couche inférieure il est de l'ordre d'un micron. Comme on l'a déjà mentionné plus haut, le bord de la bande étroite de la couche 11 suit régulièrement le contour du bord de la bande large de la couche supérieure 12 et maintient ses bonnes caractéristiques de définition. On retire alors complètement la couche supérieure 12 par une opération d'attaque sélective appropriée, ce qui met à nu la bande de dimensions réduites 11 (figure 17). On soumet ensuite la pastille 10 à l'oxydation, par exemple à l'oxydation athermique, en faisant croître une couche d'oxyde de silicium 13 à l'extérieur des zones protégées (figure 18). Enfin, on élimine les portions résiduelles de la couche inférieure 11, ce qui met à nu le silicium sousjacent et permet d'obtenir l'oxydation désirée dans l'oxyde (figure 19). Comme exemples de matières qui se sont avérées particulièrement appropriées pour obtenir - selon le procédé décrit plus haut - des dispositifs semiconducteurs à zones émettrices de dimensions particulièrement réduites, on peut citer les suivants : le nitrure de silicium (SiN4) (couche inférieure), l'oxyde de silicium (SiO2) (couche supérieure) ou, en variante, l'oxyde d'aluminium (Al203) (couche inférieure) et l'oxyde de silicium (couche supérieure). Comme agent d'attaque chimique pour éliminer la matière de la couche supérieure 11, on peut utiliser l'acide phosphorique (HnPOg). Le procédé selon l'invention permet égale ment d'obtenir des dispositifs semiconducteurs dans lesquels le contact métallique émetteur est parfaitement positionne pour correspondre à la zone émettrice; de façon a éviter la dégradation de la jonction base-émetteur qui se produit, comme il est bien connu, lorsque ledit contact interfère avec - ou très près de - ladite jonction. Dans la pratique réelle, on n'utilise, en général, jamais de structures dans iesquelles le métal déposé sur l'émetteur est en contact avec toute la région de diffusion, du fait qu'un voisinage immédiat du métal avec la jonction baee-émetteur peut facs lement provoquer la dégradation de ladite jonction.En fait, une réactivité même faible du métal utilisé avec le silicium comme, par exemple, dans le cas de l'aluminium, provoquera la formation d'alliages qui, en s'étendant latéralement sui. vant la surface de séparation oxyde-silicium, atteindra la jonction, provoquant ainsi la dégradation de cette dernière. Cet effet est dû à la fois aux traitements thermiques requis par le procédé de fabrication et au chauffage auquel le dispositif est soumis pendant les essais de durée de vie ou dans les conditions normales de fonctionnement. Pour éviter l'apparition de cet inconvénient dans les dispositifs semiconducteurs de conception classique, la région émettrice est recouverte d'une couche d'oxyde et, à travers cette couche, est ouverte la fenêtre de contact-à l'intérieur de la région de diffusion. De cette façon, la jonction base-émetteur sera protégée de façon appropriée, du fait de la distance plus grande séparant le bord du contact et le point où la jonction est localisée à la surface de la pastille de silicium. En utilisant cette techni que > il est cependant nécessaire de choisir la largeur de la région émettrice de façon à avoir la possibilité d'y constituer une fenêtre de contact.En tenant compte des limites inhérentes aux opérations ae photogravure et d'alignement de deux configurations subséquentes, il devient facile de vérifier qu'en utilisant des techniques classiques, la largeur minimale de la bande émettrice sera d'environ 6 microns, dont 2 microns correspondent à la largeur minimale de la fenêtre de contact et 4 microns (c'est-à-dire deux de chaque côté) correspondent à la tolérance d'alignement normale. Pour obtenir, par le procédé selon l'invention, les dispositifs semiconducteurs décrits plus haut, où le contact d'émetteur est disposé assez exactement par rapport à la région ou zone émettrice et à une distance désirée des bords de la jonction base-émetteur, il est nécessaire de rea- liser une structure telle que celle illustrée sur la figure 14a, qui a été répétée sur la figure 20. Dans cette structure, la largeur de la fenêtre 20 est, de façon appropriée, de 2 microns, tandis que la largeur de chacune des zones ou chambres 21, sous la couche supérieure de matière 12, va, de façon appropriée, jusqu'à un demi-micron. Sur la pastille de matière semiconductrice 10, utilisée sur la figure 20 (de type P), on a également réalisé une zone de diffusion 22 de type N. On effectue alors, par la fenêtre 20, la diffusion d'un élément de dopage approprié, qui crée la zone diffusée 23 de type P (figure 21). La matière de dopage est amenée à la surface de la pastille de silicium par un composé en phase gazeuse ; par conséquent, même si la matière de dopage pénètre, par la fenêtre 20 de dimensions inférieures par rapport à celles de la fenêtre sous-jacente, dans la couche de matière 11, la zone diffusée sera telle que si elle avait été effectuée par ladite fenêtre de dimensions supérieures, car le composé en phase gazeuse peut remplir les chambres ou zones 21 et accomplir la diffusion, même à la surface de la pastille de silicium disposée sous lui. Lors du stade suivant (figure 22), on dispose, par la même fenêtre 20, une couche de matière métallique 24 qui est en contact avec la région ou zone émettrice 23. Du fait que le dépôt de la couche métallique a lieu par évaporation sous vide, les particules de matière métallique atteindront, pendant ce dépôt, la surface de contact en suivant des directions sensiblement perpendiculaires à ladite surface. Par conséquent, la matière métallique traversant la fenêtre 20, pour se déposer sous la région émettrice, ne remplira pas les chambres sous-jacentes 21. Par des techniques de masquage et d'attaque chimique appropriées, on peut éliminer convenablement la matière constituant la couche métallique 24, de façon à délimiter un contact d'émetteur 25 de dimensions désirées (figure 23). Dans le dispositif semiconducteur fini, représenté sur la figure 23, les bords du contact d'émetteur sont sensiblement écartés des bords de la jonction baseémetteur, dans la région où cette dernière émerge de la pastille de matière semiconductrice. En fait, la distance séparant les bords du contact d'émetteur 25 et les bords de la- zone émettrice sera approximativement égale à la largeur des chambres ou zones 21 constituées sous les couches de matière métallique 12 ; par conséquent, on peut lui donner, dans certaines limites, une valeur désirée prédéterminée, de façon à empêcher la dégradation de la jonction. Il est important de noter qu'avec le procédé décrit plus haut, la zone de contact sur l'émetteur est toujours positionnée'exactement par rapport à l'ensemble de la zone émettrice, En fait, la position relative du contact d'émetteur 25, par rapport à la zone d'émetteur, n'est pas influencée - contrairement à l'art antérieur - par les erreurs introduites dans l'opération d'alignement dans le masque pour les contacts et par les tolérances du matériel utilisé dans cette opération. En outre, il va de soi que l'élimination des tolérances dues à l'opération d'alignement permet d'obtenir des zones ou régions émettrices de largeur nettement réduite, sans cependant nuire à la fiabilité du dispositif. Bien entendu, le procédé selon l'invention peut être appliqué à la fabrication simultanée d'un nombre quelconque de dispositifs semiconducteurs sur une seule plaquette ou pastille de matière semiconductrice, ce qui permet d'obtenir, dans chacun des dispositifs finis, la même précision de mise en position du contact d'émetteur par rapport à la zone émettrice. Comme exemples de matières qui se sont avérées particulièrement appropriées pour obtenir - selon le procédé décrit plus haut - des dispositifs semiconducteurs disposés exactement par rapport à la zone émettrice, on peut citer les suivants : l'oxyde de silicium (SiO2) (couche inférieure), le nitrure de silicium (Si3N4) (couche supérieure) ou, en variante, l'oxyde de silicium (SiO2) (couche inférieure), l'oxyde d'aluminium (couche supérieure). Comme agent d'attaque chimique, on peut utiliser l'acide fluorhydrique (fluorure d'hydrogène, HF). Il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un stade d'attaque, au moyen d'un agent chimique, de deux couchés de matière déposées sur une surface dudit dispositif, dans lequel la matière de la couche supérieure, interrompue de façon appropriée pour délimiter un contour ou pourtour approprié, joue le rôle de masque pour la couche inférieure pendant l'opération d'attaque chimique, et dans lequel la matière de la couche inférieure présente une résistance à l'attaque par ledit agent chimique qui est notablement In- férieure à la résistance de la matière de l'autre couche, de manière que, pendant cette attaque qui a lieu à travers ledit masque, il soit possible d'éliminer, de façon réglée, une quantité donnée de matière de la couche inférieure, sous le masque et suivant le contour de ce dernier. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière qui constitue la couche supérieure est le nitrure de silicium (Si2N4), tandis que celle qui constitue la couche inférieure est oxyde de silicium (Si02), et que l'agent d'attaque chimique est l'acide fluorhydrique (fluorure d'hydrogène, HF). 3.- Procédé selon la revendication 1, caraco térisé en ce que la matière qui constitue la couche supérieure est l'oxyde de silicium (Si02), tandis que celle qui constitue la couche inférieure est le nitrure de silicium ( N4), et que l'agent d'attaque chimique est l'acide phosphorique (H3P04). 4.- Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le contact d'émetteur métallique du dispositif est déposé par évaporation sous vide du métal à travers une fenêtre formée dans une couche de nitrure de silicium (si34) déposée sur une couche de silice (Si02), la fenêtre formée dans la couche de nitrure de silicium ayant été précédemment utilisée à la fois comme masque pour l'attaque chimique de la couche inférieure d'oxyde de silicium effet~ tuée avec de l'acide fluorhydrique (HF), pendant laquelle attaque a été formée, sous la fenêtre du masque et dans ladite couche d'oxyde de silicium, une fenêtre correspondante disposée exactement par rapport à la précédente et de dimensions supérieures à celles de cette dernière, et consti- tuant une fenêtre pour la diffusion de la matière de dopage pour constituer la zone émettrice, de manière que le bord du contact d'émetteur métallique, ainsi déposé sur le dispositif, soit nettement séparé de la ligne d'intersection de la surface de la jonction émetteur-base avec la surface sur laquelle ledit contact est déposé. 5.- Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour former la fenêtre par laquelle on effectue la diffusion de la matière de dopage pour former la zone émettrice, ledit procédé comprend au moins les stades de dépôt de deux couches, c'est-à-dire une couche inférieure de nitrure de silicium (Si3N4) et une couche supérieure d'oxyde de silicium (SiO) respectivement sur une plaquette ou pastille de matière semiconductrice ; d'élimination de l'oxyde de silicium, à l'exception de la zone ou région dans laquelle ladite fenêtre doit Entre formée ; d'attaque du nitrure de silicium par l'acide phosphorique (H3PO4) tout en utilisant, comme masque, ladite zone d'oxyde de silicium, de façon à éliminer le nitrure de silicium sous ledit masque et suivant le contour de ce dernier ; d'élimination de la zone d'oxyde précédemment mentionnée ; de croissance d'une couche d'oxyde de silicium sur les zones voisines de la zone de nitrure de silicium ainsi obtenue ; et d'élimination ultérieure de cette dernière zone.